用于锂离子电池气体检测的原位透射红外电解池及其实验方法

用于锂离子电池气体检测的原位透射红外电解池及其实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于利用透射红外原位研究锂离子电池气体产生行为的技术领域，涉及一 种能够用于原位研究锂离子电池在充放电过程中气体产生行为的透射红外电解池及其实 验方法。
【背景技术】
[0002] 傅里叶变换红外光谱(FTIR)是重要的分子振动光谱之一，它通过红外吸收频率和 强度的变化能够检测表面吸附物种、中间产物和最终产物，从而获得有关反应机理的重要 信息，在研究反应分子在电极表面成键、配位、取向、转化等过程中发挥了独特的作用。目前 红外光谱技术已经广泛应用于锂离子二次电池的基础研究中，有力的推动了电化学学科从 宏观、唯像到微观和分子水平的发展。该方法用于研究化学电源电极的电化学过程，不仅可 以深化对于相应的电极过程与反应机理的认识和理解，而且为改进现有化学电源的性能， 设计新的化学电源品种提供理论指导。锂离子二次电池中的原位反射红外光谱是指在电化 学反应过程中，用红外光谱直接对其进行表征，获得分子水平的反应信息。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于克服现有实验装置的不足，提供一种用于锂离子电池气体检测 的原位透射红外电解池及其实验方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 一种用于锂离子电池气体检测的原位透射红外电解池，包括池体、红外窗口片、正极极 片、隔膜、负极极片，池体的上下端中间位置处开孔，开孔处粘贴红外窗口片;池体内部含有 正极极片、隔膜、负极极片，且三种片状均在中间位置处开孔。
[0005] -种利用上述原位透射红外电解池检测锂离子电池气体的方法，包括如下步骤： 一、 将准备好的池体、红外窗口片、正极极片、隔膜、负极极片移入氩气手套箱中，将正 极极片、隔膜、负极极片依次放入池体中，再滴加不同的电解液组装成不同电解液体系的透 射红外电解池； 二、 将透射红外电解池进行充电，在进行首次充电的同时在不同电压下采集电解池的 气体析出情况，得到不同电压下的红外谱图； 三、 将得到的红外谱图由下列公式进行处理的：
其中，R(ES)和R(Er)分别为样品电压ES和参比电压ER下的红外谱，本实验所用的参比谱 图均为电池电压在4.0V时所采集的红外谱图。
[0006] 本发明中，所述正极极片由LiCoC^LiNiuMnwC^LiMCMMiNlCc^Mn三种元素不 同比例混合)等正极材料粘结在A1箱所制成。
[0007]本发明中，所述隔膜为聚丙烯或聚乙烯薄膜。
[0008]本发明中，所述负极极片由等石墨、MCMB、娃基材料等负极材料粘结在A1箱所制成 或为金属锂片。
[0009]本发明中，所述池体为不锈钢材料。
[0010] 本发明中，所述红外窗口片为CaF2、BaF2或Ge等材料。
[0011] 本发明具有如下优点： 1、由于红外窗口片及贯穿孔的存在，电解池能够确保红外光能够透过整个电解池。
[0012] 2、池体上下端通过粘贴红外窗口片使得原位红外透射电解池内部能够保持惰性 气氛，确保电解池内部的充放电测试与正常情况下的扣式电池测试相一致，使得实验所采 集的气体析出情况与扣式电池相同。
[0013] 3、池体采用不锈钢材料，具有良好的导电性能够进行充放电测试。
[0014] 4、电解池在有限的空间内对锂离子电池在充放电过程中产生的气体实现了实时 监测。
[0015] 5、本发明具有体积小、质量轻、组装方便等优点，非常适合与电化学质谱检测系 统、傅里叶变换红外光谱仪等设备连用，是原位研究不同电位下锂离子电池产生气体种类 的一种非常好的装置，实现快速、高灵敏、无干扰的在线气体检测。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明用于锂离子电池气体检测的原位透射FTIRS电解池的结构示意图； 图2是采用本发明用于锂离子电池气体检测的原位透射FTIRS电解池采集的电解液体 系为1 M LiPF6/DMC在LiCo02/Li电池中不同充电电压下的气体析出情况； 图3是采用本发明用于锂离子电池气体检测的原位透射FTIRS电解池采集的电解液体 系为1 M LiPF6/EMC在LiCo02/Li电池中不同充电电压下的气体析出情况； 图4是采用本发明用于锂离子电池气体检测的原位透射FTIRS电解池采集的电解液体 系为1 M LiPF6/EC+DMC(体积比为1:1)在LiNii.5Mno.5O2/Li电池中不同充电电压下的气体析 出情况； 图5是采用本发明用于锂离子电池气体检测的原位透射FTIRS电解池采集的电解液体 系为1 M LiPF6/FEC+DMC(体积比为1:4)在LiNii.5Mno.5O2/Li电池中不同充电电压下的气体 析出情况。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0018] 如图1所示，本发明提供的原位透射红外电解池由池体1、红外窗口片2、正极极片 3、隔膜5、负极极片4构成，池体1的上下端中间位置处开孔，开孔处粘贴红外窗口片2;池体1 内部含有正极极片3、隔膜5、负极极片4,将正极极片3、隔膜5、负极极片4依次进行组装，且 三种片状均在中间位置处开孔6以便于红外光能够透过电解池。
[0019] 下面列举两个本发明原位透射红外电解池的实施例对本发明进行进一步说明。
[0020] 实施例1: 利用正极材料LiC〇02制备的电极为研究电极，分别研究了电解液体系为1 M LiPF6/ DMC、1 M LiPF6/EMC在首次充电过程中不同电压下的气体产生情况。
[0021] 制作透射红外用的扣式电池进行测试，测试条件为:恒流充电，电流密度为20mA/ g;电压范围3.5-5.0V。气体红外谱图的采集是每间隔0.1V采集一次。图2和图3分别为电解 液体系为1 M LiPF6/DMC、l M LiPF6/EMC在首次充电过程中不同电压下的气体产生情况的 红外谱图。从红外谱图2和图3中能够看出当电池电压充至4.4V以上时有气体产生，产生的 气体主要以C0 2为主，另外有〇14、0^4、(：2!16、(：3!1 8和〇)生成，该结果在抑制气体的发生，改善电 池性能等方面的研究中将起到指导性的作用。
[0022] 实施例2: 利用正极材料LiNi〇. 5Mm. 5〇2制备的电极为研究电极，分别研究了电解液体系为1 Μ LiPF6/EC+DMC(体积比为1:1)、1 M LiPF6/FEC+DMC(体积比为1:4)在首次充电过程中不同电 压下的气体产生情况。
[0023]制作透射红外用的扣式电池进行测试，测试条件为：恒流充电，电流密度为20mA/ g;电压范围3.5-5.0V。气体红外谱图的采集是每间隔0.1 V采集一次。图4和图5为电解液体 系为1 M LiPF6/EC+DMC(体积比为1:1)、1 M LiPF6/FEC+DMC(体积比为1:4)在首次充电过程 中不同电压下的气体产生情况的红外谱图。从图4和图5能够看出，电解液体系EC+DMC(体积 比为1:1)所产生的气体量很多，而FEC+EMC(体积比为1:4)体系只有少量的气体产生，这说 明FEC基电解液很好的抑制了电解液在高电压的分解。
【主权项】
1. 一种用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在于所述原位透射红 外电解池由池体、红外窗口片、正极极片、隔膜、负极极片构成，池体的上下端中间位置处开 孔，开孔处粘贴红外窗口片;池体内部含有正极极片、隔膜、负极极片，且=种片状均在中间 位置处开孔。2. 根据权利要求1所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述正极极片由正极材料粘结在Al锥所制成。3. 根据权利要求2所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述正极材料为 LiCo〇2、Li 化 i.5Mn〇.5〇2 或 LiM〇2，M=化、Co、Mn。4. 根据权利要求1所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述隔膜为聚丙締或聚乙締薄膜。5. 根据权利要求1所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述负极极片由负极材料粘结在Al锥所制成或为金属裡片。6. 根据权利要求5所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述负极材料为等石墨、MCMB或娃基材料。7. 根据权利要求1所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述池体为不诱钢材料。8. 根据权利要求1所述的用于裡离子电池气体检测的原位透射红外电解池，其特征在 于所述红外窗口片为化F2、BaF2或Ge。9. 一种利用权利要求1-8任一权利要求所述的原位透射红外电解池检测裡离子电池气 体的方法，其特征在于所述方法步骤如下： 一、 将准备好的池体、红外窗口片、正极极片、隔膜、负极极片移入氣气手套箱中，将正 极极片、隔膜、负极极片依次放入池体中，再滴加不同的电解液组装成不同电解液体系的透 射红外电解池； 二、 将透射红外电解池进行充电，在进行首次充电的同时在不同电压下采集电解池的 气体析出情况，得到不同电压下的红外谱图； S、将得到的红外谱图由下列公式进行处理的：其中，R巧S)和R(Er)分别为样品电压Es和参比电压Er下的红外谱。
【专利摘要】本发明公开了一种用于锂离子电池气体检测的原位透射红外电解池及其实验方法，所述原位透射红外电解池由池体、红外窗口片、正极极片、隔膜、负极极片构成，池体的上下端中间位置处开孔，开孔处粘贴红外窗口片；池体内部含有正极极片、隔膜、负极极片，且三种片状均在中间位置处开孔。本发明具有体积小、质量轻、组装方便等优点，非常适合与电化学质谱检测系统、傅里叶变换红外光谱仪等设备连用，是原位研究不同电位下锂离子电池产生气体种类的一种非常好的装置，实现快速、高灵敏、无干扰的在线气体检测。
【IPC分类】G01N27/28, G01N21/3504
【公开号】CN105651723
【申请号】
【发明人】高云智, 王龙, 屈云腾, 王书洋, 尹鸽平
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月30日