一种锂离子电池单电极热电参数测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及锂离子电池热电参数测试装置，特别是提供了一种电池单电极充放电 过程中热、电参数的测定装置。
【背景技术】
[0002] 自1990年成功实现商品化以后，锂离子电池已发展成为一种性能非常优越的二 次化学电源。近年来，锂离子电池在军用及航空航天领域的应用逐渐增加，并逐步走向储 能、电动汽车等领域。但是，锂离子电池的性能受温度的影响很大，温度过高以及分布不均 匀会加速电池性能的衰退，降低电池的使用寿命，甚至还可能产生热失控引发安全问题。锂 离子电池安全性问题可归结为电池的产热和散热问题。热相关问题涉及到电池及其电极材 料的充放电性能和循环寿命，而电池材料（电极和电解液）决定热产生的数量和热释放的速 率。传统上采用充放电容量、循环性能、倍率性能等评价电极材料的性能，但不能反映其发 热特性。因此，研究复杂条件下（高倍率充放电、高温工作环境、内部短路引起局部过热、组 件或电池故障等）锂离子电池及其电极材料热电性能的有效评价方法对解决锂离子电池安 全性具有重要的科学指导意义。
[0003] 目前，对于锂离子电池热效应的研究，主要采用热电化学方法。这种方法需要同 时记录所研究体系在测量过程中的电压-电流-热流(温差）-时间四维信息，并基于电化 学、热力学及动力学基本原理处理实验数据和分析实验结果，比单独使用电化学方法和热 化学方法能获得更多的信息。通常将电化学方法与各种量热技术相结合测定体系的电化 学及化学反应热，称之为电化学-量热联用技术。近年来，电化学-量热联用技术不断得 到改进和发展，并已开始应用于研究电池体系及其电极材料的热效应，成为电池的开发研 究中一种非常有效的手段。其中，主要采用的量热技术包括恒温微量热技术和加速率量热 技术。国内外已有研究将电池充放电测试装置和不同种类量热仪耦合起来系统研究电池 在不同电流密度下充放电循环过程中的温度变化或产热情况。如发明专利（CN102830358 B)，公开了一种电池热电参数测试装置，包括电池充放电设置模块、热导式量热测定模块、 信号处理模块。把待测电池固定及接线器置于量热瓶，再置于量热管中；电池充放电模块通 过电池固定及接线器提供给待测电池不同的电学参数，使待测电池经历充电，放电等不同 过程，同时测定该过程的电流、电压、热流随时间的变化曲线，通过分析器获得表征电池的 充放电性能及安全性能的特征参数。在测试电池电学特征参数的同时，通过准确测量电池 的发热量，评价电池的电气性能同时对其安全性能做出准确评价，提高判断准确度；Saito (JournalofPowerSources, 2005, 146: 770-774)，Lu等人（ElectrochimicaActa, 2006，51: 1322-1329)，Krause等人（JournalofElectrochemicalSociety, 2012，159 (7): 937-943)，Ping等人（Appliedenergy, 2014，129: 261-273)采用C80 微量量热仪 或加速量热仪与电池充放电测试装置联用分别对不同种类锂离子电池在充放电循环过程 中的热行为和温度变化进行了系统的研究。
[0004] 然而，目前大部分装置以商品化锂离子全电池或半电池体系作为测试对象，在运 行参数限定范围内开展热行为研究，所得热力学数据以锂离子电池的整体热效应为主。而 分别产生于正极或负极单电极上的反应热效应可能有所不同，甚至是完全相反。在电池 反应过程中，其正极放热与负极放热存在显著差异，那么在锂离子电池特别是大容量锂电 堆体系的热设计中必须考虑其内部不同部位热效应的差异性。这不仅有助于优化电池体 系的热设计，而且可以更好的反映电池材料的热电化学性能。黄倩(博士学位论文，2007， 115-116)采用电化学-量热法测定Li/Li+电极反应的熵变ΛS。测试电池由两个完全相 同的金属锂片电极组成，其中一个锂电极被固定在金属铜模具里，并将其置于量热计内，另 一个锂电极管被置于量热计之外，一根装满电解液的塑料管被用来连接这两个电极。采用 该实验装置将可逆反应热效应的研究针对于锂离子电池体系中的正负单电极，但还存在以 下不足之处：待测的两个电极分别位于量热计的内部和外部，两个电极之间相隔的距离较 远，连接这两个电极的塑料管比较长，管内的电解液中易产生气泡，且不易排除，导致内阻 增大，对测试结果的准确性产生影响；铜作为锂离子电池的集流体，与电解液体系的相容性 较差，锂离子电池用电解液具有很强的腐蚀性，一旦铜腐蚀或溶解将导致固定在铜模具上 的电极材料脱落，阻碍电子的传输，直接影响锂离子电池的性能和安全性。
[0005] 因此，如何更加有效的测定锂离子电池内部在单电极上产生的反应热效应，尤其 涉及到电池体系精确热化学参数(化学反应焓变、化学反应熵变、化学反应吉布斯自由能变 等）是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 为解决上述中存在的问题和缺陷，本发明提供一种锂离子电池单电极热电参数测 试装置，系统地研究单电极产生的热效应，从而更加客观地评价电极材料的热电性能。
[0007] 本发明专利技术方案如下所述：正极、负极、电解液、聚四氟乙烯管一、聚四氟乙烯 管二、不锈钢网一、不锈钢网二、橡胶塞一、橡胶塞二、安瓿瓶一、安瓿瓶二、铜导线和电池测 试系统，还包括一个倒Υ形玻璃管，倒Υ形玻璃管由上端分支和下端弧形分支构成，分支之 间相互连通，上端分支中间有圆球型或椭球型突起部分，上端分支的开口处放置注射器，用 来抽取空气，排除电解液中存在的气泡，减小内阻，下端弧形分支的两个开口分别与两根聚 四氟乙烯管一和聚四氟乙烯管二的上开口连接，并对连接处进行密封；聚四氟乙烯管一、不 锈钢网一、橡胶塞一和安瓿瓶一连成第一测量通道，聚四氟乙烯管二、不锈钢网二、橡胶塞 二和安瓿瓶二连成第二测量通道，第一测量通道和第二测量通道为对称结构，多组第一测 量通道和第二测量通道组成等温量热仪；所述不锈钢网一和不锈钢网二为集流体，分别用 于包裹正极和负极，起传输离子的功能；所述铜导线的一端连接到不锈钢网一，另一端与电 池测试系统相连；所述橡胶塞一上有孔洞，孔洞的直径与聚四氟乙烯管一的外径配合，将聚 四氟乙烯管一从孔洞穿过，接口处进行密封；所述安瓿瓶一与橡胶塞一相连，连接处进行密 封。
[0008] 所述突起部分位于倒Υ形玻璃管上端分支的中间位置，用于配合注射器隔离空气 与电解液。
[0009] 所述不锈钢网一和不锈钢网二为集流体，与电解液体系的相容性优于金属铜，起 传输离子的功能；不锈钢网为马氏体型不锈钢材质，具有良好的热传导性能，可耐强腐蚀， 抗氧化能力强于金属铜；不锈钢网呈"L"形，垂直部分可用作极耳，从橡胶塞与安瓿瓶的空 隙中伸出，与铜导线相连，平行部分的尺寸与电极的尺寸配合，折叠后可紧密包裹好电极， 有利于电池循环性能的提尚。
[0010] 所述铜导线的一端与不锈钢网一相连，另一端与电池测试系统相连。
[0011] 所述橡胶塞一上有孔洞，孔洞的直径与聚四氟乙烯管一的外径配合，将聚四氟乙 烯管一从孔洞穿过，接口处进行密封。
[0012] 所述安瓿瓶一与橡胶塞一相连，连接处进行密封。
[0013]所述电池测试系统用于设置不同倍率下电池的充放电条件。
[0014]所述正极与负极大小相同，表面积为0. 8-1. 0cm2;所述负极为金属锂或锂合金。
[0015] 本发明采用倒Y形玻璃管设计，可排除电解液中存在的气泡，减少内阻对测量结 果的影响，提高数据的准确性。本发明可用于研究复杂条件下电池内部在单电极上产生的 反应热效应，获取不同单电极的电、热参数，"L"形不锈钢网的设计，进一步提高了测量结果 的精确性。本发明结构简单，易于操作，在评价电极材料热、电性能的同时评价电池的安全 性能，为电池热管理提供基础数据，有助于优化电池体系的热设计。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明锂离子电池单电极热电参数测试装置的结构示意图； 图2是本发明"L"形不锈钢网的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图对本发明实施例做进一步的说明，所描述的实施例仅仅是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例，所举实例只用于解释本发明专利，并非用于限定本发明 的范围。
[0018] 参见图1所示，一种用于热电化学研究的单电极测试装置，包括：正极1、负极2、电 解液3、聚四氟乙烯管一 4、聚四氟乙烯管二20、不锈钢网一 5、不锈钢网二21