CN218917589U - 一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，所述装置包括测试单体、恒电位仪、电压放大器、三维位置控制系统、电化学交流阻抗测试仪以及无接触式光学表面分析OSP系统；所述测试单体包括容器本体、测试探针、对电极、参比电极和工作电极；工作电极固定在容器本体底部，与电化学交流阻抗测试仪连接；测试探针垂直于工作电极上方，通过电压放大器分别与电化学交流阻抗测试仪、三维位置控制系统及恒电位仪连接；对电极垂直于工作电极上方，与三维位置控制系统和恒电位仪连接；对电极与测试探针平行放置且保持相对恒定距离；参比电极垂直于工作电极，并与恒电位仪连接。与现有技术相比，本实用新型的装置可实现锂电池极片的局部电化学阻抗测试。

Description

一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置

技术领域

本实用新型涉及锂电池检测技术领域，尤其是涉及一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置。

背景技术

在过去的十几年里锂离子电池技术得到了进一步的发展，使其具有更高的能量和功率密度，并且在电子消费品、新能源汽车甚至航空航天等领域被广泛使用。锂离子电池的两个基本组成部分是正极和负极，它们由不同材料组成，但结构基本相似。在工业化的生产中，这两种电极均由一层活性材料、导电剂和粘合剂涂布在导电箔上制作而成的。为了确保电极的可靠性以及对电极的进一步研究，电池的电化学性能成为了主要的研究目标之一。

电化学阻抗谱是一种很有发展前景的电化学测量方法，它基于交流现象来反映系统的电化学性能，并且在测试的过程中不会对待测系统本身产生损害。通过测试得出系统中与频率有关的交流电阻，即所谓的阻抗，可用于研究系统内的相界特性。关于电化学阻抗谱的研究主要集中在SOC的预测、电极材料的分析、锂离子脱嵌过程和固体电解质膜等方向。

到目前为止，传统的锂电池电化学阻抗通过测量电池单体或半电池扣电来实现。对电池施加一个从高频到低频变化的正弦波电压信号或电流型号，根据输出的电流或电压信号可观察到整个系统的信号总和并阐明该系统中正在进行的反应。

但是大部分的研究仍停留在曲线分析的层面，在探究阻抗与极片表面特征之间的相关性上还未曾有更深入的发展。此外，电池在不同频率下的阻抗是由不同类型的阻抗叠加而来的，一般借助等效电路拟合的方式对电池的阻抗特征进行分析。以最简单最常用的等效电路为例，相界面处的电荷转移阻抗(Rct)和电极表面的电容(Cdl)并联，再与欧姆阻抗串联。但是，将相界处的电化学双层视作电容器以及对于RC元件在光谱中表现的半弧的拟合是基于以下假设：1)存在一个电化学活性均匀的电极表面；2)每一个物理过程都对应一个明确的频率。

但是，上述假设不适用于大多数实际的电化学系统，此外，被测电极的响应信号为电极表面上的平均信号，不能用于研究电极表面的局部现象，例如与位置和时间有关的异常反应过程或电极上SEI的生长过程。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可真实反映电极表面局部现象的锂电池极片局部电化学阻抗检测装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型提供了一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述装置包括测试单体和测试装置；

所述测试单体包括带有观察窗的容器本体，以及设置在容器本体内的测试探针、对电极、参比电极和工作电极；所述容器本体中注入有电解液；

所述测试装置包括恒电位仪、电压放大器、三维位置控制系统、电化学交流阻抗测试仪以及用于测量倾斜度和表面粗糙度的无接触式光学表面分析OSP系统；

所述工作电极固定在所述容器本体底部，与电化学交流阻抗测试仪连接；所述测试探针垂直设置于所述工作电极上方，通过电压放大器分别与电化学交流阻抗测试仪、三维位置控制系统以及恒电位仪连接；所述对电极靠近测试探针且垂直设置于工作电极上方，并分别与三维位置控制系统和恒电位仪连接；所述对电极与测试探针平行放置且保持相对恒定的距离；所述参比电极垂直于工作电极且放置于容器本体一侧，与恒电位仪连接；

所述无接触式光学表面分析OSP系统包括对准观察窗的摄像头以及无接触式光学表面分析OSP处理模块。

优选地，所述测试探针为设定偏移距离的双探针设置，双探针的头部分别接至电压放大器。

优选地，所述测试探针的形态依据实际测试需求自由设置。

优选地，所述工作电极固定在所述容器本体底部，与电化学交流阻抗测试仪连接，具体为：所述工作电极固定在所述容器本体底部，通过从容器本体中拉出的工作电极极耳与所述电化学交流阻抗测试仪连接。

优选地，所述测试单体还包括用于隔离工作电极极耳和电解液的可嵌入模块。

优选地，所述容器本体和可嵌入模块为特氟龙材质的容器本体和可嵌入模块。

优选地，所述测试单体放置于一个四角高度可调的平台上。

优选地，所述测试单体还包括与容器本体底面尺寸参数相同的可脱卸底板；所述工作电极固定在所述可脱卸底板上。

优选地，所述测试单体设置在填充有惰性气体的手套箱中。

优选地，所述三维位置控制系统为可设置待控制对象的起始点、终点、单次移动距离以及静置时间的三维位置控制系统。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)通过本装置可实现锂电池电极在半开放的环境中完成局部电化学阻抗的测量，从而可从测试结果可以得到与极片位置有关的阻抗的信息，便于后续研究极片表面形貌和阻抗之间的关系；

2)在电池失效分析方面，本发明的装置可直接在异常点表面进行阻抗测试，便于直观分析异常点对电化学阻抗的影响，为锂电池极片异常点的研究提供一个新的途径；

3)本装置设置带有观察窗的容器本体，通过无接触式光学表面分析OSP系统，实现倾斜度和表面粗糙度的测量，便于为后续工作电极与测试探针保持平行，以及测试探针在z轴方向的高度调整提供反馈依据；

4)本装置具有高灵活性，可根据不同测试需求，改变各种设备参数，包括对电极位置、测试探针的形态、测试探针的静置时间以及调整积分周期等，从而可达到最优的测试效果；

5)本装置采用可嵌入模块以隔离工作电极极耳和电解液，提高了测量准确性；

6)本装置的容器本体、可嵌入模块等均为防化学腐蚀材质，减少了材料损耗；

7)通过本装置还能观察SEI膜的组成、结构以及形成过程。

附图说明

图1为测试单体与测试设备连接示意图；

图2为测试单体的截面示意图；

图3为测试单体的俯视图；

图4为测试探针结构示意图；

附图标记：1-测试单体，11-容器本体，111-观察窗，12-可嵌入模块，13-可脱卸底板，14-测试探针，15-对电极，16-参比电极，17-工作电极，171-工作电极极耳；2-恒电位仪；3-电压放大器；4-位置控制系统；5-电化学交流阻抗测试仪；6-无接触式光学表面分析OSP系统，61-摄像头，62-无接触式光学表面分析OSP处理模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1～3所示，本实施例给出了一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，所述装置包括测试单体1和测试装置；

所述测试装置包括恒电位仪2、电压放大器3、可设置待控制对象的起始点、终点、单次移动距离以及静置时间的三维位置控制系统4、电化学交流阻抗测试仪5以及用于测量工作电极17倾斜度和表面粗糙度以通过调整保持相对平行的无接触式光学表面分析OSP系统6。

采用的无接触式光学表面分析OSP系统，是一种分析表面形貌的光学方法，通过测量样品的倾斜度和表面粗糙度，便于调整工作电极与测试探针保持平行，以及调整测试探针14在z轴方向的高度。

其中，测试单体1放置于一个四角均可调节高度的平台上，其结构包括：

一个带有观察窗111的特氟龙材质的容器本体11，尺寸为a*b*c；

一个特氟龙材质的可嵌入模块12，尺寸为d*e*f，通过嵌入容器本体11以隔开工作电极极耳171和电解液；

可脱卸底板13，底板尺寸符合容器本体11的底部尺寸a*b，用于放置待测工作电极17，工作电极17与电化学交流阻抗测试仪5连接；

测试探针14垂直置于工作电极17上方，连接电压放大器3和三维位置控制系统4；本发明采用的测试探针14为设定偏移距离的双探针设置，其具体形态如图4所示，双探针的头部分别接至电压放大器3；测试探针14的具体形态可视实际情况自由设置。

电压放大器3连接电化学交流阻抗测试仪5；

对电极15靠近测试探针14垂直于工作电极17上方放置，连接电化学交流阻抗测试仪5和三维位置控制系统4，对电极15与测试探针14保持相对恒定的距离；

参比电极16垂直于工作电极17放置于测试单体1的一侧，与电化学交流阻抗测试仪5连接。

实际测试的所有过程都必须在氩气环境下的手套箱内进行，具体测试准备工作如下：

1)裁剪工作电极17，尺寸不大于容器本体11底部，工作电极17一侧留有长度超过容器本体11高度的工作电极极耳171；将工作电极17固定在容器本体11底部；

2)将待测工作电极极耳171从测试单体1中拉出并露出测试单体1；将可嵌入模块12放入容器本体11中，一侧紧贴工作电极极耳71，将工作电极极耳171连接到电化学交流阻抗测试仪5的信号输出端；

3)测试探针14与电压放大器3和三维位置控制系统4连接，垂直放置于工作电极17上方，与其距离≥40μm；电压放大器3与电化学交流阻抗测试仪5的信号输入端相连；

4)对电极15靠近测试探针14，垂直放置于工作电极17上方，连接电化学交流阻抗测试仪5的信号输出端和三维位置控制系统4，对电极15与测试探针14在移动时保持相对恒定的距离；

5)参比电极16垂直放置于待测工作电极17上方，位于容器本体11的一侧，在空间上不阻碍后续测试，连接电化学交流阻抗测试仪5的信号输出端；

6)使用OSP系统6测量待测工作电极17的斜度和粗糙度，调整平台的四个角，使待测工作电极17和测试探针14对齐；

7)注入电解液，浸没工作电极17、测试探针14、对电极15以及参比电极16；

8)确定测试探针14的测量范围，设置起始点、终点以及单次移动距离，设置完成后测试探针14将在整个测试中自动移动；

10)调整电压放大器，范围为10到10¹⁰⁰⁰⁰；

11)根据检测需求和工作电极特性输入测试频率的上下限，选择交流电压PEIS或交流电GEIS的输出形式；

12)开始测试。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述装置包括测试单体(1)和测试装置；

所述测试单体(1)包括带有观察窗(111)的容器本体(11)，以及设置在容器本体内的测试探针(14)、对电极(15)、参比电极(16)和工作电极(17)；所述容器本体(11)中注入有电解液；

所述测试装置包括恒电位仪(2)、电压放大器(3)、三维位置控制系统(4)、电化学交流阻抗测试仪(5)以及用于测量工作电极(17)倾斜度和表面粗糙度的无接触式光学表面分析OSP系统(6)；

所述工作电极(17)固定在所述容器本体(11)底部，与电化学交流阻抗测试仪(5)连接；所述测试探针(14)垂直设置于所述工作电极(17)上方，通过电压放大器(3)分别与电化学交流阻抗测试仪(5)、三维位置控制系统(4)以及恒电位仪(2)连接；所述对电极(15)靠近测试探针(14)且垂直设置于工作电极(17)上方放置，并分别与三维位置控制系统(4)和恒电位仪(2)连接；所述对电极(15)与测试探针(14)平行放置且保持相对恒定的距离；所述参比电极(16)垂直设置于工作电极(17)且放置于容器本体(11)一侧，与恒电位仪(2)连接；

所述无接触式光学表面分析OSP系统(6)包括对准观察窗(111)的摄像头(61)以及无接触式光学表面分析OSP处理模块(62)。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试探针(14)为设定偏移距离的双探针设置，双探针的头部分别接至电压放大器(3)。

3.根据权利要求2所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试探针(14)的形态依据实际测试需求自由设置。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述工作电极(17)固定在所述容器本体(11)底部，与电化学交流阻抗测试仪(5)连接，具体为：所述工作电极(17)固定在所述容器本体(11)底部，通过从容器本体(11)中拉出的工作电极极耳(171)与所述电化学交流阻抗测试仪(5)连接。

5.根据权利要求4所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试单体(1)还包括用于隔离工作电极极耳(171)和电解液的可嵌入模块(12)。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述容器本体(11)和可嵌入模块(12)为耐化学腐蚀材质的容器本体(11)和可嵌入模块(12)。

7.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试单体(1)放置于一个四角高度可调的平台上。

8.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试单体(1)还包括与容器本体底面尺寸参数相同的可脱卸底板(13)；所述工作电极(17)固定在所述可脱卸底板(13)上。

9.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述测试单体(1)设置在填充有惰性气体的手套箱中。

10.根据权利要求1所述的一种锂电池极片局部电化学阻抗检测装置，其特征在于，所述三维位置控制系统(4)为可设置待控制对象的起始点、终点、单次移动距离以及静置时间的三维位置控制系统。

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