一種鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置及其檢測方法與流程

2023-12-02 03:07:46 2

本發明涉及一種檢測裝置和檢測方法，具體講涉及一種鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置及其檢測方法，屬於儲能技術領域。

背景技術：

鋰離子電池具有能量密度高、功率特性好、循環壽命長、環境適應性好、無記憶效應等優點，在電動汽車和新能源儲能等領域有廣闊的應用前景。但是電池在使用過程中，由於內部電解質的分解，電池會出現脹氣現象。電池脹氣會使正負極片間的接觸將不再緊密，使得電池內阻顯著增加，電池的循環性能急劇下降，嚴重的脹氣會導致電池安全事故的發生。

很多研究人員對鋰離子電池的脹氣現象進行了專門的研究。其中對脹氣組分分析的研究較多，研究表明鋰離子電池產生的氣體主要包括二氧化碳、一氧化碳、氫氣、甲烷等，對於不同的電池類型，產生的氣體種類有較大差異。比如鈦酸鋰電池產生的氣體絕大多數(質量分數比)是氫氣，也有少量的一氧化碳和二氧化碳；磷酸鐵鋰電池產生的氣體主要是二氧化碳和甲烷；錳酸鋰電池產生的氣體主要是甲烷和一氧化碳。

現有的鋰離子電池脹氣組分研究主要是針對軟包裝鋰離子電池所作出的。研究表明，軟包裝鋰離子電池的充放電循環次數、環境溫度和充放電方式對電池脹氣快慢有很大的影響：電池開始產氣的前100個循環內電池的產氣量增加迅速，隨著循環次數的增加，產氣速率變慢；在40℃、55℃、70℃和80℃下對擱置電池或充放電電池進行脹氣氣體進行檢測發現：不同溫度下，電池脹氣產生氣體的種類沒有很大變化，說明溫度對副反應的種類沒有影響，但是氣體產生的速率隨環境溫度的升高而加快。此外脹氣速度、氣體種類還與電池中電解液的溶劑組分、添加劑種類以及電解液添加量都有一定關係。

由於硬殼電池取氣不方便，脹氣時外觀表現不明顯，現有技術中對硬殼鋰離子的電池的脹氣機理研究較少，對脹氣機理的分析存在較大差異：有的研究者認為硬殼鋰離子電池的脹氣現象是由電池內部存在的少量水分引起的，水分誘導電解液分解從而產生較多的氫氣和烷烴。還有的研究者認為硬殼鋰離子電池的脹氣現象是由電極材料中的過渡金屬元素催化導致電解液分解加速所引起。硬殼鋰離子電池脹氣機理的不清晰，直接導致抑制硬殼鋰離子電池脹氣現象的技術手段不明確。

現有的抑制硬殼鋰離子電池脹氣的主要手段是降低電池製作時環境溼度以及在電解液中 添加特定抑制脹氣添加劑。但是降低電池製作環境溼度將會較大提高鋰離子電池製作成本，而在電解液中添加抑制脹氣添加劑的方法比較困難，主要是因為對於硬殼鋰離子電池脹氣機理研究不透徹，對不同類型硬殼鋰離子電池所選用的抑制脹氣添加劑的針對性不強，抑制脹氣的效果不明顯。

技術實現要素：

為了解決現有技術中所存在的上述不足，本發明提供一種鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置，利用該檢測裝置可實現所有類型的鋰離子電池脹氣氣體組分和含量的檢測，通過對脹氣氣體組分和含量的準確分析，可推導出可能存在的產生脹氣氣體的化學方程式，從而為不同鋰離子電池在製作過程中抑制脹氣添加劑的可針對性選取提供可靠的技術支撐。

本發明提供的技術方案是：一種鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置，其改進之處在於：所述裝置包括用於容納所述鋰離子電池的其內部裝有液體介質的箱體，設於所述箱體頂部的箱體蓋，設於所述箱體外的電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置、電池脹氣氣體體積檢測裝置和電池充放電儀；所述電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置和所述電池充放電儀分別與所述鋰離子電池連接；所述電池脹氣氣體體積檢測裝置垂直貫穿所述箱體蓋後伸入所述液體介質內。

優選的，所述裝置還包括用於測量鋰離子電池脹氣氣體溫度的溫度傳感器；所述箱體的側壁上留有溫度傳感器連接線出口；溫度傳感器連接線的一端與箱體外的所述溫度傳感器相連，其另一端貫穿所述溫度傳感器連接線出口與所述鋰離子電池的一端相連；所述溫度傳感器連接線由所述溫度傳感器連接線出口引出後，在所述溫度傳感器連接線出口處塗覆有密封膠。

優選的，所述鋰離子電池為浸沒在所述液體介質中的矩形電池；所述矩形電池的同側設有正負電極；所述箱體為體積與所述矩形電池相適應的六面體，所述箱體的側壁上對應設有正負電極接線引出口；正極接線和負極接線的一端分別連接所述正負電極，另一端由所述正負電極接線引出口引出至所述箱體外部後與所述電池充放電儀相連；

所述箱體用有機玻璃製作，所述正極接線和所述負極接線由所述正負極接線引出口引出後，在所述正負極接線引出口處塗覆有密封膠。

優選的，所述電池脹氣氣體體積檢測裝置為體積測量桶，所述箱體蓋上留有外徑與所述體積測量桶的橫截面直徑相適應的通孔；所述體積測量桶的底端貫穿所述通孔後伸入所述液體介質內；所述體積測量桶上帶有刻度，用於讀取上升液體介質的體積，所述上升液體介質的體積等於所述鋰離子電池脹氣氣體體積；

所述液體介質為全氟聚醚；所述體積測量桶和所述箱體蓋均用有機玻璃製作，所述體積測量桶與所述箱體蓋的接縫處設有密封膠。

優選的，所述箱體蓋與所述箱體之間設置有密封墊或密封膠，用於加強所述箱體的密封性。

進一步，所述溫度傳感器連接線出口所在的箱體側壁上還設置有電池排氣管出口；電池排氣管的一端與所述鋰離子電池相連，其另一端貫穿所述電池排氣管出口後通過四通連接件和電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置相連；所述電池排氣管出口處塗覆有密封膠。

進一步，所述四通連接件包括四個相互連通的接口，其中兩個接口分別連接所述電池排氣管和壓強傳感器，另外兩個接口分別連接抽氣裝置和電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置；所述四通連接件與所述抽氣裝置的連接處還設置有氣體閥門；

所述電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置為氣象色譜-質譜聯用儀，用於取樣鋰離子電池脹氣氣體，並分析脹氣氣體的組分和每種組分所佔體積含量百分比；

進一步，所述密封膠由第一膠水和第二膠水以重量比1:1混合製成；

所述第一膠水由以下重量份數的材料組分製成：環氧樹脂9，丙酮9，氫氧化鋁2，氫氧化鎂2，聚磷酸銨2；

所述第二膠水由以下重量份數的材料組分製成：丙酮12，聚氨醯樹脂12。

本發明的另一目的在於提供一種用上述檢測裝置實現的鋰離子電池脹氣氣體檢測方法，所述方法包括：對鋰離子電池進行周期性充電和放電，並記錄周期循環次數和充放電容量；檢測鋰離子電池脹氣氣體體積V、脹氣氣體溫度T和脹氣氣體壓強P；根據計算鋰離子電池脹氣氣體物質的量N，其中R為理想氣體常數；對鋰離子電池脹氣氣體進行取樣，並分析樣品中氣體的組分和每種組分所佔的體積含量百分比C；根據每種組分所佔的體積含量百分比C和鋰離子電池脹氣氣體物質的量N計算鋰離子電池脹氣氣體中每種組分M的總物質的量NM：NM＝N×C。

優選的，所述方法還包括：根據所述鋰離子電池的充放電周期和充放電容量、以及鋰離子電池脹氣氣體的組分和每種組分總物質的量繪製曲線；分析鋰離子電池脹氣氣體組分和每種組分總物質的量隨鋰離子電池充放電周期和充放電容量的變化規律；根據所述變化規律分析鋰離子電池產生脹氣氣體的化學方程式。

與最接近的現有技術相比，本發明具有如下顯著進步：

1)本發明提供的檢測裝置可實現鋰離子電池內部脹氣氣體溫度、脹氣氣體體積和脹氣氣 體壓強和組分的同時檢測，可隨時分析鋰離子電池脹氣氣體的組分和含量，為推導出產生鋰離子電池脹氣氣體的化學方程式奠定了數據基礎，為鋰離子電池在製作過程中有針對性地選取抑制脹氣添加劑提供了可靠的數據支撐。

2)本發明提供的用於密封各個接口的密封膠生產成本低，粘接強度高，密封效果好，可進一步增加箱體的密封性；提高鋰離子電池脹氣氣體體積測量的準確度，從而提高整個檢測裝置檢測結果的可靠性。

附圖說明

圖1為本發明提供的鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中體積測量桶與箱體內液體介質的結構示意圖；

圖3為鋰離子電池的結構示意圖；

圖4為四通連接件的結構示意圖；

圖5為鋰離子電池脹氣氣體檢測裝置的系統框圖；

其中1-體積測量桶；2-箱體蓋；3-箱體；4-正負電極接線引出口；5-螺栓；6-密封墊；7-溫度傳感器連接線出口；8-電池排氣管出口；9-液體介質；10-鋰離子電池；11-正電極；12-負電極；13-正極接線和負極接線；14-溫度傳感器連接線；15-溫度傳感器；16-電池排氣管；17-四通連接件；18-氣體取樣口；19-壓強傳感器；20-氣體閥門；21-抽氣口。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

為了徹底了解本發明實施例，將在下列的描述中提出詳細的結構。顯然，本發明實施例的施行並不限定於本領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

本發明提供的鋰離子電池10脹氣氣體檢測裝置的結構示意圖如圖1所示：所述裝置包括用於容納所述鋰離子電池10的其內部裝有液體介質9的箱體3，設於所述箱體3頂部的箱體蓋2，設於所述箱體3外的電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置、電池脹氣氣體體積檢測裝置和電池充放電儀；所述電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置和所述電池充放電儀分別與所述鋰離子電池10連接；所述電池脹氣氣體體積檢測裝置垂直貫穿所述箱體蓋2後伸入所述液體介質9內。

用上述檢測裝置中的電池脹氣氣體體積檢測裝置可實現鋰離子電池10脹氣氣體體積V 的檢測；用上述檢測裝置中池脹氣氣體組分與含量檢測裝置可實現在線檢測脹氣氣體中的所有組分，以及每種組分M的體積含量佔總體積的百分比情況C；體積V與百分比C的乘積即為脹氣氣體中每種組分所佔的體積。

如圖2所示：所述電池脹氣氣體體積檢測裝置為體積測量桶1，所述箱體蓋2上留有外徑與所述體積測量桶1的橫截面直徑相適應的通孔，箱體蓋2與箱體3之間通過螺栓5固定；所述體積測量桶1的底端貫穿所述通孔後伸入所述液體介質9內；所述體積測量桶1上帶有刻度，用於讀取上升液體介質9的體積，所述上升液體介質9的體積等於所述鋰離子電池10脹氣氣體體積；利用電池發生脹氣時，液體介質9上升的體積來檢測電池脹氣氣體體積。

所述液體介質9為全氟聚醚，這是一種在常溫高溫情況下都不易揮發的化合物，利用這種化學物作為液體介質9可以提高電池脹氣氣體體積檢測的準確度；所述體積測量桶1和所述箱體蓋2均用有機玻璃製作，所述體積測量桶1與所述箱體蓋2的接縫處設有密封膠，可用於加強箱體3的密封性能，提高電池脹氣氣體體積檢測的準確度。

如圖3所示：所述鋰離子電池10為浸沒在所述液體介質9中的矩形電池；所述矩形電池的同側設有正負電極，其另一側連接有電池排氣管16和溫度傳感器連接線14；所述箱體3為體積與所述矩形電池相適應的六面體，所述箱體3的側壁上對應設有正負電極接線引出口4；正極接線和負極接線13的一端分別連接所述正負電極，另一端由所述正負電極接線引出口4引出至所述箱體3外部後與所述電池充放電儀相連；

所述箱體3用有機玻璃製作，所述正極接線和所述負極接線由所述正負極接線引出口引出後，在所述正負極接線引出口處塗覆有密封膠，用於加強箱體3的密封性。

所述箱體蓋2與所述箱體3之間設置有密封墊6或密封膠，用於加強所述箱體3的密封性。

為了進一步測量出電池脹氣氣體的溫度：本發明通過在箱體3外部設置溫度傳感器15來測量鋰離子電池10脹氣氣體的溫度T。所述箱體3的側壁上留有溫度傳感器連接線出口7；溫度傳感器連接線14的一端與箱體3外的所述溫度傳感器15相連，其另一端貫穿所述溫度傳感器連接線出口7與所述鋰離子電池10的一端相連；所述溫度傳感器連接線14由所述溫度傳感器連接線出口7引出後，在所述溫度傳感器連接線出口7處塗覆有密封膠；用於加強箱體3的密閉性。

所述溫度傳感器連接線出口7所在的箱體3側壁上還設置有電池排氣管出口；電池排氣管16的一端與所述鋰離子電池10相連，其另一端貫穿所述電池排氣管出口後在箱體3外部通過四通連接件17和電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置相連；所述電池排氣管出口處塗覆有 密封膠，用於加強箱體3的密封性。

如圖4所示：為了進一步檢測鋰離子電池10脹氣氣體的壓強，所述四通連接件17包括四個相互連通的接口，其中兩個接口分別連接所述電池排氣管16和壓強傳感器19，另外兩個接口分別連接抽氣裝置和電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置；所述四通連接件17與所述抽氣裝置的連接處還設置有氣體閥門20；由於電池在初始狀態內部接近真空，因此在開始氣體檢測前應通過抽氣裝置抽真空，保證電池連接管內部真空，然後關閉氣體閥門20。

所述電池脹氣氣體組分與含量檢測裝置為氣象色譜-質譜聯用儀，用於取樣鋰離子電池10脹氣氣體，並分析脹氣氣體的組分和每種組分所佔體積含量百分比；

為了進一步加強箱體3的密封性，所述密封膠由第一膠水和第二膠水以重量比1:1混合製成；

所述第一膠水由以下重量份數的材料組分製成：環氧樹脂9，丙酮9，氫氧化鋁2，氫氧化鎂2，聚磷酸銨2；

所述第二膠水由以下重量份數的材料組分製成：丙酮12，聚氨醯樹脂12。

上述密封膠可採用如下方法製作：

(1)取丙酮9份加入到9份低粘度環氧樹脂中，用不鏽鋼棒攪拌，使得低粘度環氧樹脂溶解成稀薄的膠水；依次向膠水中加入氫氧化鋁2份，氫氧化鎂2份和聚磷酸銨2份，繼續用不鏽鋼棒攪拌，直至攪拌均勻以形成第一膠水；

(2)取12份丙酮加入到12份聚氨醯樹脂中，用不鏽鋼棒攪拌，直至形成均勻粘稠狀的第二膠水；

(3)將第一膠水與第二膠水混合，用不鏽鋼棒攪拌，使其混合均勻後形成密封膠。

採用上述材料製成的密封膠生產成本低，粘接強度高，密封效果好，可進一步增加箱體3的密封性；提高鋰離子電池10脹氣氣體體積測量的準確度，從而提高整個檢測裝置檢測結果的可靠性。

圖5是整個檢測裝置的系統框圖：中間的電池脹氣原位測量裝置可以測量鋰離子電池10脹氣氣體在任意一個時刻的溫度、壓強和體積；左邊的電池充放電儀實現鋰離子電池10的周期性充電和放電；右邊的氣象色譜和質譜連用儀可在線分析出脹氣氣體的組分和每種組分的體積含量佔總體積的百分比。

本發明還提供一種用上述檢測裝置實現的鋰離子電池10脹氣氣體檢測方法，所述方法包括：對鋰離子電池10進行周期性充電和放電，並記錄周期循環次數和充放電容量；檢測鋰離 子電池10脹氣氣體體積V、脹氣氣體溫度T和脹氣氣體壓強P；根據計算鋰離子電池10脹氣氣體物質的量N，其中R為理想氣體常數；對鋰離子電池10脹氣氣體進行取樣，並分析樣品中氣體的組分和每種組分所佔的體積含量百分比C；根據每種組分所佔的體積含量百分比C和鋰離子電池10脹氣氣體物質的量N計算鋰離子電池10脹氣氣體中每種組分M的總物質的量NM：NM＝N×C。

例如：鋰離子電池10循環第5周脹氣組分M和各組分M的總物質的量NM的分析：

(1)讀取電池循環第5周時的脹氣氣體積V5、溫度T5、壓強P5，

(2)根據公式計算出電池第5周循環時總的產氣量N5；

(3)通過氣相色譜質譜聯用儀在線取樣分析此時的氣體組分M5和組分M5所佔的體積含量百分比C5：若有一氧化碳，則電池第5周循環時，一氧化碳的總物質的量Nco5＝N5×C5；

同理，循環第20周的一氧化碳的總物質的量Nco20：Nco20＝N20×C20；其他氣體組分，如氫氣、甲烷、二氧化碳依據同樣發法測量分析。

另外，根據所述鋰離子電池10的充放電周期和充放電容量、以及鋰離子電池10脹氣氣體的組分和每種組分總物質的量還可以繪製對應的曲線，用於分析鋰離子電池10脹氣氣體組分和每種組分總物質的量隨鋰離子電池10充放電周期和充放電容量的變化規律；通過該變化規律結合現有的化學反應規律可分析鋰離子電池10產生脹氣氣體的化學方程式。

最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護範圍之內。