专利名称：一种利用分子离子谱评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过非接触检测分子离子谱，评价蓄电池壳体材料环境失效行为
的方法，属于电化学技术领域。
背景技术：
蓄电池是一种化学电源，由于它原料易得、加工工艺简单、使用性能充分可靠、价 格低廉，适用于大电流放电等优点，使它在产值产量方面，居各种化学电源和物理电源首 位。例如铅酸蓄电池，是在水下推进应用时间最长、可靠而价廉的高能电池，主要用于潜艇 和早期的潜水器的水下推进。潜艇上的一切电源诸如动力、照明、采暖通风、仪表、生活等均 由蓄电池供给， 一般容量在5000安时左右，每个蓄电池重约半吨左右，都是巨型蓄电池。由 于潜艇任务的特殊性，而蓄电池又是潜艇的命脉， 一组中有一个蓄电池发生重大故障，都会 影响到整个潜艇的安全和任务的执行，因此要求蓄电池的质量要百分之百的可靠。所以研 究蓄电池壳体材料在应用环境中的可靠性具有十分重大的意义。文献报道的研究蓄电池壳 体材料可靠性的方法是将其直接放在实际应用环境中来获得数据，虽然这样得到的数据是 最有说服力的，但是实验工作量繁重、投资大，而且由于现场的环境变化多，影响因素复杂， 不同的现场差别也大，对探索材料的性能变化规律有很大的干扰，且时间太长，等到实验结 果得出，可能该产品已经被淘汰了 。 离子/分子选择电极是一种电化学传感器，可以配合扫描选择电极技术以不接触 被测材料的非损伤方式测量进出被测材料信息，得到分子离子谱。扫描微电极技术用于局 部腐蚀有突出的优势，解决了以前电化学测试手段只能获得整体平均信息的弊端。近年来， 随着离子/分子选择电极种类的不断增多，电子线路技术和计算机硬件软件技术的巨大发 展，显微镜技术、成像技术得到了越来越广泛的应用，并与自动化控制技术相结合，给非接 触微测技术提供了一个良好的平台。但是，将现场实际应用的环境在实验室条件下进行模 拟并受人工控制，使得材料在相同的工作条件下进行试验，利用非接触自动化微测原理得 到的分子离子谱评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法还未见报道。
发明内容
本发明提供一种通过非接触检测分子离子谱，评价蓄电池壳体材料环境失效行为 的方法。该方法采用多种离子/分子选择性电极，在不接触处于应用环境中的蓄电池壳体 材料的前提下，以手动或编程的方式方便、快捷、三维地实时测量进出蓄电池壳体材料表面 且与蓄电池壳体材料环境失效行为相关的离子/分子种类、离子/分子绝对浓度及离子/ 分子三维运动方向等大量信息，从而得到反映蓄电池壳体材料环境失效行为的分子离子 谱。该方法对蓄电池壳体材料无损伤，分析速度快且可靠性高，能在大大提高研究效率的同 时，明显降低研究成本。
本发明的主要技术方案一种利用分子离子谱评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法，该技术系统包括离子/分子活性检测单元l、显微成像系统3、三维运动系统4、信号 放大系统5以及计算机数据处理系统7，其特征在于还包括智能开关2和微处理器6，多个 离子/分子选择电极1-2固定在三维步进电机4-2的机械臂上，多个离子/分子选择电极 1-2的引线与智能开关2连接，智能开关2分别与微处理器6和前置放大器5-1连接，微处 理器6通过串行接口 7-4与计算机数据处理系统7连接，前置放大器5-1与差分放大器5-2 连接，差分放大器5-2与计算机数据处理系统7连接，计算机数据处理系统7还分别与电极 运动控制器4-1和显微成像系统3连接，电极运动控制器4-1分别与三维步进电机4-2和 显微成像系统3的显微镜3-1连接。 上述的离子/分子活性检测单元1包括参比电极、离子/分子选择电极、被测材 料、液体介质及检测容器。 上述的离子/分子选择电极1-2根据测定的离子/分子来选定、添加，可以是玻璃 电极、金属电极、碳丝电极、光纤电极、其他选择性电极或特异性电极。 上述的具有选择性或特异性的离子/分子电极被置于应用环境中的蓄电池壳体
材料表面近距离处，采集其反馈的电压或电流信号，去噪、放大后经过数据分析软件分析得
到进出蓄电池壳体材料的多种离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数。 上述的蓄电池壳体材料通常是纤维增强复合材料，其增强体可以是玻璃纤维、碳
纤维等，其基体材料有乙烯基酯树脂、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS、硬橡胶等。 上述的蓄电池壳体材料在工作环境中能被腐蚀和发生老化，其工作环境包括温
度、湿度、腐蚀性介质和紫外线辐射等。 本发明测试中将蓄电池壳体材料试样放入其工作环境中，用离子/分子选择电极 实时测量进出蓄电池壳体材料表面离子/分子的种类、绝对浓度及三维运动方向等参数， 从而得到与蓄电池壳体材料环境失效行为相关的分子离子谱。这些谱图直接反映蓄电池壳 体材料在应用环境中发生Mg"、F^+、F^+溶出等过程的有效信息，通过计算机处理这些信息 得出腐蚀机理来评价蓄电池壳体材料环境失效行为。 本发明的测量分子离子谱的方法可以用于评价蓄电池壳体材料在应用环境中的 环境失效行为。 本发明的效果(l)方便、快捷、三维地实时测量蓄电池壳体材料在温度、湿度、腐 蚀性介质和紫外线辐射等应用环境中发生的与其环境失效行为相关的信息，如Mg2+、 Fe2+、 Fe"溶出等过程的有效信息；(2)对蓄电池壳体材料无损伤，分析速度快且可靠性高，能在 大大提高研究效率的同时，明显降低研究成本。
图1为分子离子谱技术系统的组成示意图。 图2为进出蓄电池壳体材料中玻璃纤维表面的Fe2+和Fe3+的离子谱图。
图3为蓄电池中Fe2+和Fe3+在电介质溶液中发生的电荷交换反应。图4为工作温度为35t:、55t:、65t:及75t:时进出蓄电池壳体材料中玻璃纤维表
面的铁离子浓度随时间的变化曲线。
具体实施例方式
下面用实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这一实施例。
实施例 本实施例以玻璃纤维增强乙烯基酯树脂复合材料作为壳体材料的蓄电池为例。采 用选择性离子/分子电极测量进出使用中的蓄电池壳体材料表面的分子或离子信息，发现 进出蓄电池壳体材料表面的离子较多，如Mg2+、 Fe2+、 Fe3+等，且铁离子在所有进出蓄电池壳 体材料表面的离子中浓度最高。因此得出铁离子对蓄电池壳体材料的环境耐用性有重要影 响。 在此基础上，采用选择性离子/分子电极测量进出使用中的蓄电池壳体材料树 脂、界面及玻璃纤维表面的分子或离子信息，发现测得的铁离子主要来自于蓄电池壳体材 料中的玻璃纤维，Fe2+和Fe3+的离子谱图如图2所示，说明玻璃纤维是蓄电池壳体材料中最 易受到酸液腐蚀的部分。同时Fe2+和Fe3+的离子谱图表明，由于铁离子是一种变价物质，在 蓄电池的放电过程中铁会发生变化，使蓄电池的性能下降。Fe2+和Fe3+在电解质溶液中电 荷交换(如图3所示)使电池的自放电增加，导致电池的寿命降低。如果电解液中铁离子 过量，那么整个电池的寿命就受到威胁，而此时即使蓄电池壳体材料再耐腐蚀，蓄电池本身 的作用丧失，则整个体系也没有意义。因此用选择性离子/分子电极测量溶液中铁离子的 浓度等信息对于评价蓄电池壳体材料的环境耐用性具有重大意义。 此外，选择性离子/分子电极测量发现从蓄电池壳体材料玻璃纤维中溶出的铁离 子浓度跟蓄电池的工作时间和温度也有紧密关系。采用选择性离子/分子电极实时测量工
作温度为35t:、55t:、65t:及75t:时进出蓄电池壳体材料中玻璃纤维表面的铁离子谱图，
然后采集不同时间的铁离子谱图数据得出四个工作温度下铁离子随时间的变化曲线，如图 4所示。从图中可以看出，总体上来说，玻璃纤维中溶出的铁离子浓度随工作时间的延长逐 渐增加，且随工作温度的升高也逐渐增加。说明蓄电池的工作温度及工作时间的增加会加 速玻璃纤维的腐蚀，即加速对蓄电池壳体材料的腐蚀。
权利要求
一种利用分子离子谱评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法，该技术系统包括离子/分子活性检测单元(1)、显微成像系统(3)、三维运动系统(4)、信号放大系统(5)以及计算机数据处理系统(7)，其特征在于还包括智能开关(2)和微处理器(6)，多个离子/分子选择电极(1-2)固定在三维步进电机(4-2)的机械臂上，多个离子/分子选择电极(1-2)的引线与智能开关(2)连接，智能开关(2)分别与微处理器(6)和前置放大器(5-1)连接，微处理器(6)通过串行接口(7-4)与计算机数据处理系统(7)连接，前置放大器(5-1)与差分放大器(5-2)连接，差分放大器(5-2)与计算机数据处理系统(7)连接，计算机数据处理系统(7)还分别与电极运动控制器(4-1)和显微成像系统(3)连接，电极运动控制器(4-1)分别与三维步进电机(4-2)和显微成像系统(3)的显微镜(3-1)连接。
2. 根据权利要求1的技术系统，其特征在于所述的离子/分子活性检测单元(1)包 括参比电极、离子/分子选择电极、被测材料、液体介质及检测容器，离子/分子选择电极 (1-2)根据测定的离子/分子来选定、添加，可以是玻璃电极、金属电极、碳丝电极、光纤电 极、其他选择性电极或特异性电极。
3. 根据权利要求1的技术系统，其特征在于所述的离子/分子活性检测单元中的具有选择性或特异性的离子/分子电极被置于应用环境中的蓄电池壳体材料表面近距离处， 采集其反馈的电压或电流信号，去噪、放大后经过数据分析软件分析得到进出蓄电池壳体材料的多种离子/分子的绝对浓度、运动速率及三维运动方向等参数。
4. 根据权利要求1的蓄电池壳体材料，其特征在于所述的蓄电池壳体材料通常是纤 维增强复合材料，其增强体可以为玻璃纤维、碳纤维等，其基体材料有乙烯基酯树脂、聚氯 乙烯、聚丙烯、ABS、硬橡胶等。
5. 根据权利要求1的蓄电池壳体材料，其特征在于能对所述的蓄电池壳体材料产生 腐蚀和老化作用的工作环境有温度、湿度、腐蚀性介质和紫外线辐射等。
6. 根据权利要求l的利用分子离子谱评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法，其特征在于将蓄电池壳体材料试样放入其工作环境中，用离子/分子选择电极实时测量进出蓄电池壳体材料表面离子/分子的种类、绝对浓度及三维运动方向等参数，从而得到与蓄 电池壳体材料环境失效行为相关的分子离子谱，这些谱图是直接反映蓄电池壳体材料在应用环境中发生Mg"、F^+、F^+溶出等过程的有效信息，通过计算机处理这些信息得出腐蚀机 理来评价蓄电池壳体材料环境失效行为。
全文摘要
本发明提供一种通过非接触检测分子离子谱，评价蓄电池壳体材料环境失效行为的方法。该技术系统包括离子/分子活性检测单元(1)、智能开关(2)、显微成像系统(3)、三维运动系统(4)、信号放大系统(5)、微处理器(6)及计算机数据处理系统(7)。该方法采用多种离子/分子选择电极，在不接触处于应用环境中的蓄电池壳体材料的前提下，以手动或编程的方式实时测量进出蓄电池壳体材料表面且与蓄电池壳体材料环境失效行为相关的分子离子谱，能够直接反映蓄电池壳体材料在应用环境中发生的与其环境失效行为相关联的变化的有效信息。该方法对蓄电池壳体材料无损伤，分析速度快，可靠性高，能在大大提高研究效率的同时明显降低研究成本。
文档编号G01N17/02GK101738367SQ20081011871
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者许越 申请人:旭月(北京)科技有限公司