电池测试装置及其使用方法与流程

本发明涉及电池领域，尤其涉及电池测试装置及其使用方法。

背景技术：

金属燃料电池是一种以金属(碱金属或是碱土金属)为燃料，以气体(氧气，二氧化碳等)为氧化剂的可充电储能电池。金属燃料电池具有发电效率高和能量密度高等优点，被认为是下一代储能电池中最有发展前景的电池技术之一。在金属燃料电池放电过程中，金属与氧化性气体反应生成固态产物；在充电过程中，固态产物分解释放出金属和氧化性气体。金属燃料电池的研究还处于起步阶段，研发金属燃料电池首先需要建立可靠的电池测试平台并设计稳定的电池测试装置。为了避免外界杂质气体对电池性能产生影响，金属燃料电池需要在密闭空间进行电化学性能测试。如何精准的对金属燃料电池进行测试表征，设计相应的测试装置是难点也是重点。现有测试装置功能较为单一，存在着下述局限性：

1，现有测试装置多为有机材质搭建组装，在电池测试过程中有机材料很容易受到电解液攻击被腐蚀从而破坏装置，使得装置部件需要频繁更换或是使得装置直接报废。更为重要的是，由有机材质腐蚀而产生的气体对电池性能亦产生不良影响，影响到了测试准确性；

2，现有测试装置一般只能对一个电池进行测试，不能进行多电池(样品)平行实验，从而延缓研发进度；

3，现有测试装置设计是基于直接测试纽扣电池，纽扣电池是采用液压纽扣封装机完成封装的，纽扣电池制备工艺简单。缺点是纽扣电池封装压力往往很大且压力大小很难控制。对于采用易脆薄膜固态电解质或是易脆电极的金属燃料电池而言，不宜采用纽扣封装机来封装电池；

4，现有测试装置不能实现变温测试，特别是不能进行高温测试(现有测试装置多由有机材质组装搭建，不耐高低温)。值得注意的是，对于全固态金属燃料电池(使用固态电解质，无需液体电解质)，要想取得可观的电化学性能，电池需要在较高温度下运行(100-300℃)；

5，不能对测试装置中气压进行精准监测。此外，金属燃料电池放电和充电过程伴随着氧化性气体的消耗和释放。同时，金属燃料电池在运行过程中无可避免会产生一些副反应，而副反应往往伴随着产气行为。通过对比金属燃料电池在运行过程中其环境气压变化数值与充放电实际电量理论导致的气压变化数值，可以初步判断金属燃料电池反应可逆性。此外，监控金属燃料电池运行过程中气压变化，可以实时研判测试装置是否漏气，是否可以正常使用。

电池测试装置同样可以用于测试金属离子电池。金属燃料电池属于开放体系，需要外来氧化性气体参与才能完成电化学反应。而金属离子电池属于封闭体系(通过金属离子在正负极间嵌入和脱出来完成充放电)，不需要外来气体参与即可完成电化学反应。将电池测试装置中填充惰性气体(氩气或氮气等)，即可以用来对金属离子电池进行测试。

锂离子电池是已经得到大规模应用的一种可充电储能电池，钠，钾，镁和铝离子电池是正在被研发的新一代可充电储能电池。鉴于目前金属离子电池使用的是有机电解液，存在着可燃甚至是爆炸等安全问题，使用固态电解质的金属离子电池被认为是未来金属离子电池(包括锂、钠、钾、镁和铝离子等电池)发展方向。此外，为了提高金属离子电池功率密度，金属负极是未来重要研发方向。为了避免金属负极枝晶形成，刺穿现有商业化玻纤隔膜导致电池短路失效，也需要研发使用固态电解质，通过物理阻挡防止枝晶形成，从而避免电池正负极被贯穿而导致电池失效。

研发固态电解质金属离子电池首先需要建立起可靠的电池测试平台并设计稳定的电池测试装置。固态电解质一般为非常薄的陶瓷片(陶瓷固态电解质)或是聚合膜(聚合物固态电解质)。这两种薄膜在机械外力作用下容易破裂，因此使用固态电解质，不宜采用纽扣封装机来封装电池。因为易脆性，基于固态电解质的金属离子电池并非处于完全密封封装状态。为了避免外界气体(比如空气中水份和二氧化碳等气体)对基于固态电解质的金属离子电池(处于非完全密封状态)电化学性能产生影响，也需要设计相应的测试模具将电池与外界(主要指大气环境)隔开。

通常情况下，固态电解质离子电导率要远低于液态电解质，同样考虑到固态电解质还具有一定厚度，因此固态电解质金属离子电池要想取得可观的电化学性能，电池需要在较高温度下运行(100-300℃)，用于测试高温电池的装置需要能够耐受住高温。

到目前为止，还未见有一种测试装置，可以同时适用于测试采用固态电解质的金属离子电池，且可以无极调控施加于电池上的压力，且可以实现对电池实现高温测试，同时可以实现对多个电池进行测试。

如何解决上述问题，是本领域技术人员需要考虑的。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种电池测试装置及其使用方法。该电池测试装置至少适用于基于固态电解质的离子电池，金属燃料电池，纽扣电池的测试。

一种电池测试装置，包括外壳及功能模块，所述外壳与所述功能模块扣合，所述外壳包括壳体及容置腔，所述壳体一端设置有一开口，所述壳体内设置有所述容置腔，所述功能模块包括支撑架、第一管道组件、第二管道组件、航空接头及多个测试单元，所述支撑架扣合于所述开口，所述航空接头设置于所述支撑架上，所述第一管道组件、第二管道组件贯穿所述支撑架设置，所述第一管道组件及第二管道组件的至少部分位于所述容置腔内，所述第一管道组件及第二管道组件的至少部分位于所述容置腔外部，所述第一管道组件包括第一金属阀门及第二金属阀门，所述第二管道组件包括一第三金属阀门，所述第一金属阀门、第二金属阀门及第三金属阀门设置于所述容置腔外部，所述支撑架、第一管道模块和第二管道模块作为所述电池测试装置的公用电极，所述多个测试单元设置于所述容置腔内部。

进一步地，所述测试单元包括第一金属支架、第二金属支架、陶瓷螺丝、金属垫片及导线，所述第一金属支架及所述第二金属支架间隔设置，所述陶瓷螺丝可活动的设置于所述第一金属支架上，所述金属垫片设置于所述第一金属支架与所述第二金属支架之间并与所述陶瓷螺丝连接，所述导线与所述金属垫片电性连接。

进一步地，通过调节所述陶瓷螺丝可调整所述金属垫片与所述第一金属支架及所述第二金属支架之间的距离。

进一步地，所述第一金属支架、第二金属支架、陶瓷螺丝及金属垫片具备耐高温及耐腐蚀的性质。

进一步地，所述导线的数量为多条，所述多条导线的一端贯穿所述航空接头并与所述航空接头电性连接，所述多条导线间隔设置。

进一步地，所述导线的中部的至少一段呈弹簧状。

进一步地，所述第一管道组件还包括第一管道，所述第一管道为导电材料，所述第一管道贯穿所述支撑架，所述第一金属阀门及第二金属阀门与所述第一管道焊接，所述第二管道组件还包括第二管道，所述第二管道为导电材料，所述第二管道贯穿所述支撑架，所述第三金属阀门与所述第二管道焊接。

进一步地，所述电池测试装置还包括一气压表，所述气压表与所述第一管道组件连接用于检测所述电池测试装置内的气压变化，所述气压表设置于所述容置腔外部。

进一步地，所述的功能模块还包括密封套件，所述密封套件设置于所述外壳与所述支撑架之间用于密封所述外壳及所述功能模块。

一种电池测试装置的使用方法：

使所述外壳及所述功能模块分离，打开所述第一金属阀门、第二金属阀门及第三金属阀门；

提供一包括手套箱过渡仓的手套箱，将所述电池测试装置通过所述手套箱过渡仓转移至所述手套箱中；

向所述手套箱中注入氩气，在所述手套箱内完成一电池的组装，将组装后的电池固定于所述测试单元；

将外壳与功能模块扣紧，拧紧所述密封螺栓，关闭所述第一金属阀门、第二金属阀门及第三金属阀门；

将所述电池测试装置转移出手套箱。如果是进行基于固态电解质离子电池测试，则无须置换装置内部气体，可以直接进行测试。如果是进行金属燃料电池测试，则还包含以下步骤：

提供一包括带有气体流量控制阀门管道的储气罐，储气罐里面容纳反应所需氧化性气体。连接储气罐与测试装置进气口，打开储气罐管道上气体流速控制阀，然后打开测试装置第一金属阀门排除装置管道中少量空气，排气1-5分钟后关闭第一金属阀门，顺序打开第二金属阀门和第三金属阀门；置换气体5-15分钟后(将原先装置内部氩气排除干净)，顺次关闭第三金属阀门和第二金属阀门；关闭气瓶阀门，断开储气瓶与测试装置的连通。

本发明的电池测试装置，可实现耐腐蚀，可以在一个电池测试装置内够实现对多个电池同时进行测试，可以直接测试纽扣电池，同样也适用于测试采用易脆薄膜固态电解质或是易脆电极的金属燃料电池，且可以无极调控施加于电池上的压力，能实现高低温变温测试，测试过程中能够对装置内气压进行精准检测。本发明的电池测试装置同样可以测试基于固态电解质的离子电池，可实现耐腐蚀，可以在一个电池测试装置内实现对多个电池同时进行测试，适用于组装和测试采用薄膜固态电解质金属离子电池，且可以无极调控施加于电池上的压力，能实现高低温变温测试。

附图说明

图1为本发明一实施例的电池测试装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的电池测试装置工作时的结构示意图；

图3为本发明一实施例的电池测试装置在高低温工作测试时的结构示意图；

图4为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时充放电电化学性能图；

图5为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时充放电产物表征图；

图6为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时限容循环性能图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可以参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或者相似的元件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所覆盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其实际尺寸按比例进行绘制。

下面参照附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明一实施例的电池测试装置1。所述电池测试装置1包括外壳11及功能模块12，外壳11与功能模块12扣合。于一实施例中，外壳11包括壳体111、容置腔112及固定件113，壳体111为一端部开口的圆柱状，壳体111形成一中空结构，该中空结构内部的中空区域即为容置腔112，功能模块12与外壳11扣合于外壳11的开口处。于一实施例中，外壳11包括至少固定件113，固定件113可以为环绕壳体111外围设置的金属圆环，固定件113由壳体111向外延伸形成，所述固定件113设置于外壳11的开口的边缘，固定件113包括至少三个第一螺孔1131，所述第一螺孔1131贯穿固定件113。于一实施例中，外壳11的材料可以为玻璃或是不锈钢，该不锈钢可以为表面经过镀膜处理的耐化学腐蚀的特殊不锈钢材料，该不锈钢也可以为掺杂有特殊金属的耐高温不锈钢材料。

功能模块12包括支撑架120、密封套件121、第一管道组件123、第二管道组件124、航空接头125、气压表126、测试组件128。

支撑架120覆盖外壳11的开口，支撑架120的面积大于外壳11的开口的面积，支撑架120的至少部分与固定件113相对且间隔设置，支撑架120还包括至少三个第二螺孔1212，每个所述第二螺孔1212与一个第一螺孔1131正对设置。于一实施例中，第二螺孔1212为内表面光滑的螺孔，即，第二螺孔1212内无内螺纹，第一螺孔1131内有内螺纹。

密封套件121包括一个密封件1211及一个密封螺栓1213。密封件1211设置于支撑架120与固定件113之间，于一实施例中，密封件1211可为一多层结构，该多层结构包括位于中间的金属圈及位于所述金属圈两侧的胶圈，金属圈为密封件提供支撑，所述金属圈的材料可以为不锈钢，胶圈可为支撑架120及外壳11提供缓冲并进一步提升密封性，所述胶圈的材料可以为硅胶或橡胶，密封件1211同时与支撑架120、固定件113及壳体111接触以实现功能模块12与外壳11之间的密封。密封螺栓1213可拆卸的固定于第二螺孔1212上，可通过旋转密封螺栓1213调节密封螺栓1213相对于第二螺孔1212的深度，并进一步控制密封螺栓1213旋入第一螺孔1131中的深度，密封螺栓1213同时旋入第一螺孔1131与第二螺孔1212使功能模块12与外壳11固定连接，且通过旋转密封螺栓1213可调节功能模块12与外壳11之间连接的紧密程度。

第一管道组件123包括第一管道1230、第一进气口1231、第一出气口1232、第一金属阀门1233、第二金属阀门1234以及第二进气口1235。第一管道1230为中空结构，第一管道1230贯穿支撑架120使得容置腔112与外部空气环境可以连通。第一管道1230位于容置腔112外部的部分存在两个开放的端口，即，第一进气口1231及第一出气口1232。第一金属阀门1233设置于第一出气口1232控制第一出气口1232的打开或关闭，第一金属阀门1233可与第一管道1230一体设置，第二金属阀门1234设置于第一管道1230靠近支撑架120一侧，第二金属阀门1234可与第一管道1230一体设置并控制第一管道1230与外界空气环境连接通道的打开或关闭。第一管道1230位于容置腔112内的部分存在一个开放端口，即第二进气口1235。于一实施例中，所述第一管道1230、第一金属阀门1233及第二金属阀门1234为导电材料，其具体可以为不锈钢，第一金属阀门1233及第二金属阀门1234可采用焊接的方式与第一管道1230连接。

于一实施例中，支撑架120、第一管道组件123以及第二管道组件124的材料为不锈钢，该不锈钢可以为表面经过镀膜处理的耐化学腐蚀的特殊不锈钢材料，该不锈钢也可以为掺杂有特殊金属的耐高温不锈钢材料。

气压表126与第一管道1230连接用于检测电池测试装置1内的气压变化，气压表126设置于容置腔112外部。所述气压表126可以为高精度压力表，该高精度气压表对于容置腔112内部的气压变化具有较高的测量精度，一方面可以精确记录测试过程中电池测试装置1内的气压变化为实验提供准确的数据，另一方面可以监测电池测试装置1内气压的异常变化，帮助实验人员及时排除危险或异常。

第二管道组件124包括第二管道1240、第二出气口1241、第三金属阀门1242及第三出气口1243。第二管道1240为中空结构，第二管道1240贯穿支撑架120使得容置腔112与外部空气环境可以连通。第二管道1240位于容置腔112外部的部分设置有一个开放的端口，即第二出气口1241。第三金属阀门1242设置第二出气口1241并控制第二出气口1241的打开或关闭，第三金属阀门1242可与第二管道1240一体设置。第二管道1240位于容置腔112内的部分存在一个开放端口，即第三出气口1243。于一实施例中，第二管道1240及第三金属阀门1242为导电材料，其可以为不锈钢，第三金属阀门1242可采用焊接的方式与第二管道1240连接。

航空接头125设置于支撑架120上并与所述支撑架120绝缘设置，航空接头125可嵌于支撑架120，航空接头125与支撑架120接触的区域具有较好的密封性，在电池测试时候能够保证容置腔112内部和外部在航空接头125处不发生气体交换，航空接头125上设置有多个可以贯穿孔，该多个贯穿孔可选择性的允许导电线材通过。于一实施例中，航空接头125设置于第一管道组件123与第二管道组件124之间的区域。

测试组件128包括多个测试单元1280。每个测试单元1280包括一第一金属支架1281、第二金属支架1282、陶瓷螺丝1283、金属垫片1284及导线1285。第一金属支架1281及第二金属支架1282间隔设置，陶瓷螺丝1283可活动的设置于第一金属支架1281上并贯穿第一金属支架1281，陶瓷螺丝1283靠近第二金属支架1282一端与金属垫片1284连接，通过旋转陶瓷螺丝1283可调节金属垫片1284与第一金属支架1281及第二金属支架1282之间的距离。于一实施例中，陶瓷螺丝1283由第一金属支架1281远离第二金属支架1282一侧攻入第一金属支架1281，旋入陶瓷螺丝1283可使得金属垫片1284靠近第二金属支架1282，旋出陶瓷螺丝1283可使得金属垫片1284远离第二金属支架1282，通过调整金属垫片1284与第二金属支架1282可实现对测试电池的夹持。使用陶瓷螺丝1283可以避免电池测试时候电池正负极短路。一条导线1285的一端与金属垫片1284电性连接，导线1285的另一端穿过航空接头125的贯穿孔延伸至容置腔112外部，每根导线1285保证了容置腔112内部和外部电导通，每根导线1285都是独立的负极(或是正极)测试引线，多根导线1285相互绝缘设置。导线1285的中段的至少部分呈弹簧状，当陶瓷螺丝1283调节金属垫片1284的距离时，导线1285的弹簧区域可伸长或收缩实现长度的变化。通过调整金属垫片1284与第二金属支架1282之间的距离可实现对被夹持电池表面压力的有效调控，当被测试电池为纽扣电池或采用易脆薄膜固态电解质或是易脆电极的金属燃料电池时，可在夹紧电池的同时避免对电池造成的破坏，进一步可用于封装纽扣电池或采用易脆薄膜固态电解质或是易脆电极的金属燃料电池。

于一实施例中，测试单元1280的数量为三个，三个测试单元1280固定于第一管道1230一侧，在其他实施例中，测试单元1280的数量可以为多个，可以根据容置腔112与测试单元1280的相对大小调节测试单元1280的数量，测试单元1280也可以固定于第二管道1240或壳体111上；多个测试单元1280的多条导线1285位于航空接头125的一端彼此间隔设置。本发明的电池测试装置1包括多个测试单元1280，可以同时对多个电池进行测试，可有效提高测试效率。

于一实施例中，所述第一金属支架1281、第二金属支架1282及金属垫片1284为导电材料，第一金属支架1281、第二金属支架1282及金属垫片1284的材料可以为不锈钢，该不锈钢可以为表面经过镀膜处理的耐化学腐蚀的特殊不锈钢材料，该不锈钢也可以为掺杂有特殊金属的耐高温不锈钢材料。陶瓷螺丝1283具备绝缘、耐高温及耐腐蚀的能力。

第一管道组件123为导电材料，可作为电池测试装置1的共用正极，金属垫片1284与导线1285相配合可作为电池测试装置1的负极。电池测试装置1中，正极是公用的，负极间相互独立。当然，也可以在测试电池时候，调换电池正负极，则电池测试装置1中，负极是公用的，正极间相互独立。其中，一侧电极(负极或是正极)保持独立，使得能够同时对多个电池进行测试。

本发明的电池测试装置1至少适用于基于固态电解质的离子电池，金属燃料电池，纽扣电池的电池测试。

本发明还提供电池测试装置1的使用方法：

松开密封螺栓1213，打开第一金属阀门1233、第二金属阀门1234及第三金属阀门1242。将电池测试装置1从大气环境通过手套箱过渡仓转移进入手套箱。

如图2所示，为本发明一实施例的电池测试装置1工作时的结构示意图。

对于纽扣电池的组装：向所述手套箱中注入氩气，在充满高纯氩气手套箱内完成金属燃料单电池的组装，然后将纽扣单电池13(或对称电池)设置于测试单元1280上，拧紧陶瓷螺丝1283到合适位置使得金属垫片1284与电池13负极(或正极)电性连接。电池测试装置1的正负极是相对的，可以相互调换。

对于采用薄膜固态电解质或是易脆电极的金属燃料电池的组装：向所述手套箱中注入氩气，在充满高纯氩气手套箱内完成金属燃料单电池的组装，将单电池13(或对称电池)按照正极，电解质和负极，顺序设置于测试单元1280上，拧紧陶瓷螺丝1283到合适位置使得金属垫片1284与电池13负极电性连接，同时使得单电池13正极电解质负极间压实，通过调节陶瓷螺丝1283可以控制单电池13压实程度。当正极与负极材质是一样时候，即是测试对称电池。

将外壳11与功能模块12扣紧，拧紧密封螺栓1213，关闭第一金属阀门1233、第二金属阀门1234及第三金属阀门1242。

将密封好的电池测试装置1转移出手套箱。如果是进行基于固态电解质离子电池测试，则无须置换装置内部气体，可以直接进行测试。如果是进行金属燃料电池测试，则还包含以下步骤：

提供一包括带有气体流量控制阀门管道的储气罐，储气罐里面容纳反应所需氧化性气体。连接储气罐与测试装置进气口，打开储气罐管道上气体流速控制阀，然后打开测试装置第一金属阀门1233排除装置管道中少量空气，排气1-5分钟后关闭第一金属阀门1233，顺序打开第二金属阀门1234和第三金属阀门1242；置换气体5-15分钟后(将原先装置内部氩气排除干净)，顺次关闭第三金属阀门1242和第二金属阀门1234；关闭气瓶阀门，断开储气瓶与测试装置的连通。

最后，连接电池测试装置1正负极与电化学测试仪器并进行测试。

如图3所示，为本发明一实施例的电池测试装置1工作时的结构示意图。若需要测试高低温电池性能，则需要将为本发明的电池测试装置1放置于温控电炉14中，通过调节温控电炉14实现对电池测试装置1的温度调节。

实施例一

首先在手套箱里面组装锂-氧纽扣电池。具体为：以商业化li片(直径16mm,厚度1mm)为负极，superp(sp)碳材料为导电剂，la0.85ca0.15cr0.85o3@ru(lcc@r)为正极催化剂，whatmangf/d玻璃纤维为隔膜，cf3so3li/tegdme为电解液组装电池。其中superp，la0.85ca0.15cr0.85o3@ru与粘结剂pvdf按照6：3：1比例涂覆于泡沫镍上制备成正极极片。将组装好的锂-氧电池用电池测试装置1进行测试，图4为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时充放电电化学性能图，sp+la0.85ca0.15cr0.85o3@ru为正极的锂-氧电池放电平台在2.6v左右，充电平台在4.1v左右。图5为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时充放电产物表征图，放电产物为标准的li2o2，充电后li2o2能够可逆分解。图6为本发明一实施例所测得的锂-氧气电池在室温时限容循环性能图，图6表明该锂-氧电池可以稳定循环80圈。本发明的电池测试装置1对于测试金属燃料电池具有高度可靠性。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。