一种可控制金属‑空气电池电化学性能测试气氛的装置的制作方法

本实用新型涉及一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置，可以通过调节气体流速、气压、饱和气体种类，实现对金属-空气电池气氛环境调控，具有极佳的密封性能，可完全避免空气中其他组分对电池性能测试的影响。

背景技术：

金属-空气电池由金属负极、电解液，空气电极构成，空气电极一般由碳材料和非碳催化剂组成，相对于其他种类电池而言，金属-空气电池具有理论比能量高的优点。以锂-空气电池为例，其理论比能量高达11140Wh kg^-1，与汽油的理论比能量相当(13000Wh kg^-1)，因此，极有可能替代汽油成为新一代汽车的动力来源。

在进行锂-空气电池的电化学性能测试过程中，我们发现使用常规的简易电化学性能测试装置(见图例说明中图2)的测试结果不理想。其主要原因有：常规的测试装置不能很好地控制电化学性能测试气氛；锂-空气电池的空气电极是开放式的，无论在流动态还是在静态体系下测试，电解液均易流失；锂-空气电池对水气和氮气等十分敏感。

有鉴于此，我们设计并制作了一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置(见图例说明中图1)，来解决锂-空气电池测试装置面临的问题，该装置亦可用于其他需要控制测试气氛的新型电池电化学性能测试，如其他金属-空气电池。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置，能有效地控制气氛(气体流量和气压)，解决电池测试体系的密封性、水气和氮气对测试结果的负面影响、电解液流失等问题。一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置由电化学性能测试装置和辅助的进气控制装置组成：所述进气控制装置包括减压阀(1)、干燥管(2)、质量流量控制器(3)、流量计(4)、开关阀(5)、稳压阀(6)、气压表(7)、稳流阀(8)、饱和器(9)、单向阀(14)；所述电化学性能测试装置为一密封容器，该容器由密封法兰(10)、腔体(11)、四通阀(12)或两个二通阀(13)、气体导管(15)、多芯电线(16)、电池测试夹具(17)组成。

本实用新型的核心是电化学性能测试装置，其中：密封法兰(10)与腔体(11)相连，并可方便的拆卸；电池测试夹具(17)通过支撑杆固定于密封法兰(10)上；待测电池可方便地装入电池测试夹具(17)；密封法兰(10)与腔体(11)组装成电化学性能测试装置，可方便地与进气控制装置连接和拆卸；电化学性能测试装置也方便在手套箱中移入和移出；电池测试夹具(17)的数量不受限制；通过四通阀(12)或两个二通阀(13)实现进气-出气的控制，进气完成后可切换四通阀(12)或关闭两个二通阀(13)，实现电化学性能测试装置的完全密闭；电化学性能测试可以在流动气氛下完成，也可通过切换四通阀(12)或关闭两个二通阀(13)使得电化学性能测试装置的完全密闭、在静态或准静态下完成；密封法兰(10)的材质为不锈钢、铝合金、铜、有机玻璃、聚四氟乙烯等，腔体(11)的材质为不锈钢、铝合金、铜、有机玻璃、聚四氟乙烯、普通玻璃、石英玻璃等。

本实用新型涉及的电化学性能测试装置能够有效解决常规测试装置存在的问题。对于同一批次以XC-72为空气电极的锂-空气电池，初步的测试结果表明本实用新型的测试装置能更好地表征锂-空气电池的电化学性能，如采用本实用新型的装置测得的完全放电比容量比常规、简易的测试装置的高750mAh g^-1左右(23.7％)(见图例说明中图3)。

附图说明

图1是本实用新型一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置。

图2是常规的简易电化学性能测试装置。

图3是以金属锂为负极、LiTfSI/DMSO为电解液、XC-72碳材料为正极，分别采用本实用新型和常规的简易电化学性能测试装置的测试结果对比图。

图中：1是减压阀、2是干燥管、3是质量流量控制器、4是流量计、5是开关阀、6是稳压阀、7是气压表、8是稳流阀、9是饱和器、10是密封法兰、11是腔体、12是四通阀、13是两个二通阀、14是单向阀、15是气体导管、16是多芯电线、17是电池测试夹具、201是三通阀、202是多芯电线、203是玻璃瓶、204 是电池测试夹具。

具体实施方式

如图1所示，一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置,所述测试装置由进气控制装置、电化学性能测试装置组成；所述进气控制装置包括减压阀(1)、干燥管(2)、质量流量控制器(3)、流量计(4)、开关阀(5)、稳压阀(6)、气压表(7)、稳流阀(8)、饱和器(9)、单向阀(14)；所述电化学性能测试装置为一密封容器，该容器由密封法兰(10)、腔体(11)、四通阀(12)或两个二通阀(13)、气体导管(15)、多芯电线(16)、电池测试夹具(17)组成。

钢瓶气体与减压阀(1)、干燥管(2)相连，除去水的影响，再分别与质量流量控制器(3)、流量计(4)、开关阀(5)、稳压阀(6)、稳流阀(8)、饱和器(9)顺序相连，气压表(7)与稳压阀(6)相连，形成所述进气控制装置，通过流量计与气压表读数，分别控制气体流量和气压，通过改变饱和器中所含液体的种类，来改变饱和气的种类。

电化学性能测试装置组装：(a)饱和器(9)与四通阀(12)或两个二通阀(13)、单向阀(14)顺序相连；(b)四通阀(12)或两个二通阀(13)固定在预留多个孔的密封法兰(10)上；(c)两根气体导管(15)分别经由密封法兰(10)上的两个穿孔与腔体相通，其中：一根作为出气管的气体导管刚穿出密封法兰(10)，另一根作为进气管的气体导管的出口靠近腔体(11)的底部；(d)电池测试夹具(17)焊接在多孔电路板上；(e)多芯电线(16)的其中两根或四根导线分成两组与电池测试夹具(17)的两个电极相连，组成测试电极外引线；(f)多芯电线(16)经由密封法兰(10)上剩余的孔穿出并用密封胶密封；(g)密封法兰(10)与腔体(11)连接，并可方便拆卸。整个电化学性能测试装置高度密闭，外引的多芯电线通过快卸接头与电池测试系统相连。

测试：(a)待测电池装入电池测试夹具(17)上；(b)密封法兰(10)与腔体(11)连接；(c)切换四通阀(12)或关闭两个二通阀(13)使系统处于密封状态；(d)与进气控制装置对接；(e)打开开关阀(5)后，气体流经减压阀(1)，通过干燥管(2)除去气氛中水分的影响，再流经质量流量控制器(3)、开关阀(5)、稳压阀(6)、稳流阀(8)、饱和器(9)，可通过流量计(4)、稳压阀(6)、稳流阀(8)来调控气体流量和气压；(f)切换四通阀(12)或打开两个二通阀(13)使气体流经密封的腔体(11)，等待一段时间使腔体(11)中的残气被目标气氛替代。电化学性能测试可以在流动气氛下完成，也可通过切换四通阀(12)或关闭两个二通阀(13)使得电化学性能测试装置的完全密闭、在静态或准静态下完成。

以一个实例来说明本实用新型装置的具体实施方式以及优点：

被测试的锂-空气电池：以金属锂为负极、LiTfSI/DMSO为电解液、XC-72碳材料为正极，组装成CR-2032型纽扣电池，正极(空气电极)的电池壳上带有多个通气孔。

图1为本实用新型的一种可控制金属-空气电池电化学性能测试气氛的装置。

图2为常规、简易的锂-空气电池电化学性能测试的实验装置，包括三通阀(201)、多芯电线(202)、玻璃瓶(203)、电池测试夹具(204)；测试时，将待测电池装入电池测试夹具(204)，通过三通阀(201)来控制气体进出，再进行电池性能的测试。

电池性能测试在上述两种测试装置上完成，测试结果如图3所示。可以清楚地看到，对于同一批次的锂-空气电池，采用本实用新型的装置测得的完全放电比容量比常规、简易的测试装置的高750mAh g^-1左右(23.7％)，表明本实用新型的测试装置能更好地表征锂-空气电池的电化学性能。该装置亦可用于其他需要控制测试气氛的新型电池电化学性能测试，如其他金属-空气电池。