一种同时分析电池正负极产气的电化学质谱装置的制作方法

本发明涉及电池测试，更具体地说，涉及一种同时分析电池正负极产气的电化学质谱装置，能够适用于实验室、商业/工业固态电池的正负极产气研究。

背景技术：

1、能源结构的升级转型是我国实现碳中和目标的关键所在。以锂离子电池为典型代表的电化学储能器件代表了新能源领域的重要发展方向之一。然而，锂离子电池的安全性和循环寿命，仍然难以满足当代社会对新能源的使用要求。其中，导致锂离子电池安全性低和循环寿命差的主要原因是，电极/电解质界面持续发生副反应导致大量的可燃性气体(比如co,h2,ch4,c2h4等)的生成。因此，理解锂离子电池中电极/电解质界面的产气机制，靶向性制定产气抑制策略，对于我国新能源事业的蓬勃发展具有重要意义。

2、目前，电池产气的研究方法通常包含微分电化学质谱和气相色谱法。气相色谱时间分辨率在10min以上，气体检测灵敏度在10ppm以上，难以满足电池的原位分析需求，结果可靠性较差。而微分电化学质谱时间分辨率好(<1.0s)，气体检测灵敏度高(<1.0ppm)，可原位分析电池充放电过程的产气类型和数量。然而，电池中包含两个电极/电解质界面，在电池工作过程中同时产气，因此电化学质谱所得产气信号是两个电极/电解质界面信息加和或正负极气体之间串扰后的结果。如此，我们实际上难以精确分析电池中单独的电极/电解质的界面过程，将会对电极/电解液质面反应产气机制造成一定误解，从而难以合理制定产气抑制策略，这对电池企业生产和研发是不利的。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的问题，公开了一种同时分析电池正负极产气的电化学质谱装置，可实现电化学质谱对电池正负极产气的单独和同步分析。

2、具体的，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种同时分析电池正负极产气的电化学质谱装置，包括进样系统、质谱系统、控制处理系统、电池测试模具、第一三通阀、第二三通阀、第一四通阀、第二四通阀和电池测试系统，其中：

4、所述电池测试模具包括正极腔体和负极腔体；

5、所述正极腔体和负极腔体中间放置有固态电解质膜，且正极腔体和负极腔体能够通过相互压紧被固态电解质膜分割，从而分别形成相互独立的可分别容纳正极极片和负极极片的空间；

6、所述电池测试模具的正极腔体连接第一四通阀的两个接口，负极腔体连接第二四通阀的两个接口；

7、所述电池测试模具的正极腔体和负极腔体分别与电池测试系统连接；

8、所述第一三通阀的三个接口分别连接进样系统、第一四通阀的一个接口和第二四通阀的一个接口；

9、所述第二三通阀的三个接口分别连接质谱系统、第一四通阀的一个接口和第二四通阀的一个接口；

10、所述控制处理系统分别与第一三通阀、第二三通阀、第一四通阀和第二四通阀电连接或信号连接，用于分别控制第一三通阀、第二三通阀、第一四通阀和第二四通阀各个接口的开闭。

11、本发明的上述设计，用固态电解质膜分隔正极极片和负极极片，使电池正极和负极之间产气无串扰，以便于电池正极腔体和负极腔体分别和质谱系统的连通，从而实现电池正负极产气的单独和同步分析；并且，可通过控制处理系统对通阀的控制，可实现电池正负极产气的同时定性定量分析。

12、作为进一步方案，所述正极腔体和负极腔体的上，分别设置有用于连接负极腔体和正极腔体的螺纹接口；正极腔体、负极腔体与固态电解质膜之间分别设置有中通的密封垫片；当正极腔体和负极腔体相向压紧时，固态电解质膜、中通的密封垫片与正极腔体或负极腔体分别围合成可放置正极极片和负极极片的独立的空间。密封垫片有利于正极腔体和负极腔体压紧时形成的独立空间的密闭性，而连接正极腔体和负极腔体的螺纹接口h能保证独立空间的密封性。

13、作为进一步方案，所述正极腔体和负极腔体上还设置有接头。

14、作为进一步方案，所述接头包括接头e和接头f，正极极片通过正极腔体上的接头e与电池测试系统连接，负极极片通过负极腔体上的接头f与电池测试系统连接。

15、作为进一步方案，所述正极腔体还有用于连接第一四通阀的接口a1、a2；作为更进一步方案，所述负极腔体还有用于连接第二四通阀的接口a3、a4。

16、作为进一步方案，所述第一四通阀有用于连接电池的接口c3和c4，用于连接第一三通阀的接口c1，用于连接第二三通阀的接口c2。

17、作为进一步方案，所述第二四通阀有用于连接电池的接口d1和d2，用于连接第一三通阀的接口d3，用于连接第二三通阀的接口d4。

18、作为进一步方案，所述第一三通阀有用于连接进样系统的接口b1，用于连接第一四通阀的接口b2，用于连接第二四通阀的接口b3。

19、作为进一步方案，所述第二三通福有用于连接质谱系统的接口e1，用于连接第一四通阀的接口e2，用于连接第二四通阀的接口e3。

20、作为进一步方案，所述电化学质谱装置能够形成两条相互并联的i-ii路径：

21、i路径：

22、进样系统、第一三通阀、第一四通阀、电池测试模具、第一四通阀、第二三通阀、质谱系统；

23、ii路径：

24、进样系统、第一三通阀、第二四通阀、电池测试模具、第二四通阀、第二三通阀、质谱系统。两条检测路径相互并联搭配，可以减小因为路径长度差异而导致的检测误差。

25、作为进一步方案，所述进样系统在气体的流经路线上设有气源、第一过滤器和流量计。进样系统用于将电池正负极产生的气体带入质谱系统；气源用于提供载气；第一过滤器用于过滤载气以及电池产气所携带的杂质，以防止堵塞气路和损坏仪器；流量计用于精确控制载气流速，以便质谱仪的准确定量分析。

26、作为进一步方案，所述质谱系统在气体的流经路线上设有冷阱、第二过滤器和质谱仪。

27、作为进一步方案，所述密封垫片为硅胶垫片。防止有机蒸汽的腐蚀。

28、作为进一步方案，所述正极腔体和负极腔体的材质为不锈钢；螺纹接口进行匹配的螺钉材质为peek材质。有效防止正极和负极之间的短路问题。

29、作为进一步方案，所述气源提供气体包括惰性气体或电池工作所需气氛；作为更进一步方案，所述惰性气体包括ar，he中的一种。

30、作为进一步方案，所述流量计的接口尺寸选自1/8和1/16英寸中的一种，流量计的范围为0-20ml/min。

31、作为进一步方案，所述冷阱的制冷方式为电制冷、液氮制冷或干冰制冷中的一种，制冷温度小于-10℃～-100℃。可以根据所测试电解液体系进行适应性调整。

32、作为进一步方案，所述第一三通阀与第一四通阀、第一三通阀与第二四通阀、第二三通阀与第一四通阀、第二三通阀与第二四通阀之间的管路为1/16英寸的peek管。

33、作为进一步方案，所述第一三通阀、第一四通阀、第二四通阀、第二三通阀为电磁阀。

34、本发明的特点和有益效果为：

35、(1)本发明提供的一种同时分析电池正负极产气的电化学质谱装置，电池测试模具具有双进气和出气管路接口，分隔正负极产气串扰的固态电解质膜，以便于电池正极和负极产气分别和质谱系统和进样系统连通，同时电池测试模具与电池测试系统连接，从而实现正负极产气的单独和同步分析。也即，通过该电池测试模具，可以将正负极产气进行区分，结合通阀和控制处理系统，可实现电池正负极产气的同时定性定量分析。

36、(2)可适用于多种电池体系的正负极产气的单独和同步分析，可以通过更换固态电解质膜进行测试不同电池体系，不仅限于锂离子电池体系，还可以是钠离子电池体系。

37、(3)可适用于不同尺寸电池的正负极产气的单独和同步分析，可以根据所测试的电池正极极片和负极极片的结构和尺寸进行修改电池测试模具。