一种电池剩余锂容量分析方法及分析装置与流程

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种电池剩余锂容量分析方法及分析装置。


背景技术：

2.相较于其它一次电池，锂/亚硫酰氯能量型电池具有更高的比能量和更高工作电压，同时其工作温度范围极宽、年自放电率极低，因此近十多年来，越来越多的应用在智能仪表、石油钻井、智能追踪、etc以及国防等领域。
3.在锂亚电池的应用领域中，往往要求电池在一段很长的时间内以极小的电流放电，使用时间长达十几年甚至几十年，使用电流低至几微安。在这种使用条件下，对电池的自放电率的要求就极其严格。例如智能电能表使用的er14250t型号时钟电池，如果不考虑自放电，该型号锂亚电池的容量足以使用40年以上，然而现实情形却是，因为电池导致的智能电能表的失效时有发生，平均10年左右就需更换电能表。
4.锂/亚硫酰氯电池的自放电可以分为两种，一是存储过程中自放电，二是工作过程中的自放电。在锂亚电池中，金属锂会与电解液溶剂亚硫酰氯自发的发生反应，在锂阳极表面形成一层钝化层，钝化层阻止了反应的进一步发生，因此锂亚电池在存放过程中的自放电远远小于其他电化学体系的电池；而当外电路连通，电池工作时，钝化膜会逐渐减少消失，此时电池的自放电也会增大，甚至当电池以极微小的电流持续放电时，自放电电流甚至会超过外电路的工作电流，自放电电流会随着外电路的工作电流的改变而改变，同时也受到环境温度的影响。
5.自放电容量和工作容量会消耗锂带，但因为结构和设计的不完美，或者电池制备过程中存在缺陷,在电池达到截止电压时依然会有部分锂没有被消耗。又因，电池制备时的设计锂容量＝自放电容量+工作容量+剩余锂容量，因此要测量电池的自放电容量，进而得到不同放电流和放电温度下的自放电电流，对电池放电完成后的剩余锂的准确快捷分析，必不可少。
6.同时，在电池设计制造过程中，为了材料的最大化利用，及提高电池单位重量的比容量。我们必须寻找一种工作比容量最高的，即剩余锂容量最少的设计方案，因此剩余锂容量的测量对于电池设计和制造控制起到指导作用。
7.然而现今却没有一种完善准确的剩余锂容量的测量方法。由于锂的化学活泼特性，及锂亚电池内部化学组成复杂等原因，剩余锂的准确分析存在一定的困难，整个测试过程中需考虑在极干燥的环境下进行，同时也需注意杂质的除去。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电池剩余锂容量分析方法及分析装置，本发明采用了数据驱动法对电池剩余锂容量进行分析。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种电池剩余锂容量分析方法，所述的电池剩余锂容量
分析方法包括：
11.将附着有剩余金属锂的钢壳放入水中，剩余金属锂与水反应产生氢气，采用排水法收集氢气，根据理想气体状态方程计算剩余金属锂的摩尔数，并通过剩余金属锂的摩尔数计算剩余锂容量。
12.传统的物理失效模型需要对电池内部电化学反应、电化学材料以及失效机理进行深入研究，普适性较低且对操作人员的技术门槛要求较高，本发明采用了数据驱动法对电池剩余锂容量进行分析并预测其使用寿命，无需建立复杂的物理失效模型，通过简单的测试手段采集数据，并将采集到的数据代入理想气体状态方程即可得到剩余金属锂的摩尔数，通过剩余金属锂的摩尔数计算剩余锂容量，数据采集阶段的操作简单，对操作人员的操作精度要求不高，简单培训即可完成，通过公式运算获得剩余金属锂的摩尔数，排除了实验操作过程中可能出现的误差影响，准确程度较高，进而能准备地判断出电池的实际补锂程度。为锂亚电池自放电率的分析中，必不可少的剩余锂的分析，提供了一种快速准确的方法；同时，该方法的使用，避免由于电池设计中负极极片补锂不足或补锂过量，对电池的设计提供指导，为电池的制造提供了一种可靠的质量控制方法。
13.作为本发明一种优选的技术方案，所述的电池剩余锂容量分析方法具体包括如下步骤：
14.(ⅰ)对附着有剩余金属锂的钢壳进行预处理，随后将钢壳放入带盖容器内并称重，水槽内注水，将带盖容器放入水中，水槽内倒置一个注满水的量筒，量筒开口位于水槽液面以下，在水下打开带盖容器；
15.(ⅱ)水进入带盖容器后与剩余金属锂反应产生氢气，氢气进入量筒后形成气柱，反应结束后，在水中将带盖容器拧紧后取出，称量注满水的带盖容器的质量，根据式(1)计算剩余金属锂的摩尔数：
[0016][0017]
其中，p0为标准大气压强，pa；p
h2o
为水蒸气饱和蒸汽分压，pa；v为量筒内的氢气体积，ml；a1为带盖容器和钢壳的总质量，g；a2为注满水后的带盖容器的总质量，g；r为理想气体常数，jmol
‑1·
k
‑1；t为环境温度，℃；n为剩余金属锂的摩尔数，mol；
[0018]
(ⅲ)根据式(2)计算剩余金属锂的质量m，g，并通过剩余金属锂的质量m采用式(3)计算相对应的剩余锂容量c，mah：
[0019]
m＝n
×
6.94
ꢀꢀ
式(2)
[0020]
c＝m
×
3860
ꢀꢀ
式(3)。
[0021]
作为本发明一种优选的技术方案，将电池拆解后，取出电池内的正极炭包，得到附着有剩余金属锂的钢壳。
[0022]
优选地，所述的电池为锂/亚硫酰氯能量型电池。
[0023]
作为本发明一种优选的技术方案，所述的预处理过程：去除残留在钢壳和剩余金属锂上的氯化锂。
[0024]
作为本发明一种优选的技术方案，所述的预处理过程具体包括如下步骤：
[0025]
将钢壳浸入亚硫酰氯中，清洗掉残留在钢壳和剩余金属锂上的氯化锂；随后，将钢
壳浸入二氯甲烷中，清洗掉残留的亚硫酰氯，烘干后待测。
[0026]
作为本发明一种优选的技术方案，所述的预处理过程在干燥室内进行。
[0027]
优选地，所述的干燥室内的相对湿度小于2％。
[0028]
作为本发明一种优选的技术方案，在测试过程中，带盖容器位于量筒开口端的正下方。
[0029]
在本发明中，将带盖容器放入量筒开口端的正下方，水与剩余金属锂反应产生的氢气可以最短的路径进入量筒，避免氢气由量筒以外的区域扩散外溢，保证反应产生的氢气能完全被量筒收集。
[0030]
第二方面，本发明提供了一种电池剩余锂分析装置，所述的分析装置包括水槽和倒置于所述水槽内的量筒，所述的水槽和量筒内均注满水，量筒开口处位于水槽液面以下。
[0031]
作为本发明一种优选的技术方案，所述的分析装置还包括固定支架，所述的固定支架用于固定支撑所述的量筒。
[0032]
作为本发明一种优选的技术方案，所述的固定支架包括支撑杆和设置于所述支撑杆顶端的固定环，所述量筒套入固定环，所述的固定环挂住量筒底部。
[0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0034]
传统的物理失效模型需要对电池内部电化学反应、电化学材料以及失效机理进行深入研究，普适性较低且对操作人员的技术门槛要求较高，本发明采用了数据驱动法对电池剩余锂容量进行分析并预测其使用寿命，无需建立复杂的物理失效模型，通过简单的测试手段采集数据，并将采集到的数据代入理想气体状态方程即可得到剩余金属锂的摩尔数，通过剩余金属锂的摩尔数计算剩余锂容量，数据采集阶段的操作简单，对操作人员的操作精度要求不高，简单培训即可完成，通过公式运算获得剩余金属锂的摩尔数，排除了实验操作过程中可能出现的误差影响，准确程度较高，进而能准备地判断出电池的实际补锂程度。为锂亚电池自放电率的分析中，必不可少的剩余锂的分析，提供了一种快速准确的方法；同时，该方法的使用，避免由于电池设计中负极极片补锂不足或补锂过量，对电池的设计提供指导，为电池的制造提供了一种可靠的质量控制方法。
附图说明
[0035]
图1为本发明一个具体实施方式提供的分析装置的结构示意图；
[0036]
其中，1
‑
水槽；2
‑
量筒；3
‑
固定支架；4
‑
带盖容器；5
‑
钢壳。
具体实施方式
[0037]
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0038]
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0039]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0040]
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种电池剩余锂容量分析装置，所述的分析装置如图1所示，包括水槽1和倒置于水槽1内的量筒2，水槽1和量筒2内均注满水，量筒2开口处位于水槽1液面以下。
[0041]
分析装置还包括固定支架3，固定支架3用于固定支撑量筒2。具体地，固定支架3包括支撑杆和设置于支撑杆顶端的固定环，所述量筒2套入固定环，固定环挂住量筒2底部。
[0042]
应用例
[0043]
本应用例提供了一种锂亚电池剩余锂容量分析方法，所述的分析方法具体包括如下步骤：
[0044]
(1)取一只放电至2.0v的er14250能量型电池，将电池拆解，将电池内的正极碳包取出，得到剩余金属锂附着的钢壳5；
[0045]
(2)将钢壳5浸入亚硫酰氯中，清洗掉残留在钢壳5和剩余金属锂上的氯化锂；
[0046]
(3)将钢壳5浸入二氯甲烷中，清洗掉残留的亚硫酰氯，烘干后待测；步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)均在相对湿度小于2％的干燥室中进行；
[0047]
(4)将预处理后的钢壳5放入带盖容器4内并称重；
[0048]
(5)水槽1和量筒2内注满水，将量筒2倒扣入水槽1中，量筒2开口位于水槽1液面以下，由于气压作用，量筒2内的水不会倒流进入水槽1，量筒2内仍保持充满水的状态，通过固定支架3固定支撑量筒2；
[0049]
(6)将带盖容器4(连带钢壳5)放入水槽1中，带盖容器4位于量筒2开口端的正下方，在水下打开带盖容器4，水进入带盖容器4，与剩余金属锂发生反应产生氢气，氢气进入量筒2后形成气柱；
[0050]
(7)读出量筒2中气柱的体积，测量量筒2中液面与水槽1中液面的高度差；
[0051]
(8)反应结束后，在水中将带盖容器4拧紧后取出，此时带盖容器4内注满水，称量注满水的带盖容器4的质量，擦干带盖容器4外表面的水分，称量注满水的带盖容器4的质量；
[0052]
(9)根据式(1)计算剩余金属锂的摩尔数：
[0053][0054]
其中，p0为标准大气压强，pa，此数值随温度变化而变化，可由饱和蒸汽温度与压力对照表读出；p
h2o
为水蒸气饱和蒸汽分压，pa；v为量筒2内的氢气体积，ml；a1为带盖容器4和钢壳5的总质量，g；a2为注满水后的带盖容器4的总质量，g；r为理想气体常数，jmol
‑1·
k
‑1，取8.314；t为环境温度，℃；n为剩余金属锂的摩尔数，mol；
[0055]
需要说明的是，此理想气体状态方程的应用，需要满足三个条件：(1)默认整个装
置各部分的温度一致；(2)由于量筒2中的水柱高度很低，其产生的压强远小于大气压强，可忽略不计；(3)为方便计算，在室温环境下，默认水的密度为1g/ml；
[0056]
根据式(2)计算剩余金属锂的质量m，g，并通过剩余金属锂的质量m采用式(3)计算相对应的剩余锂容量c，mah：
[0057]
m＝n
×
6.94
ꢀꢀ
式(2)
[0058]
c＝m
×
3860 式(3)。
[0059]
本实施例的读取数据和计算结果如下表1所示：
[0060]
表1
[0061]
物理量hva1a2p0p
h2o
nmc单位mmcm3ggpapamolgmah数值20.379.120.676.31013302342.9480.00180.012548
[0062]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。