一种铅酸电池电化学性能测试方法
【专利摘要】本发明属于电化学测试相关领域，其公开了一种铅酸电池电化学性能快速测试方法，所述铅酸电池电化学性能测试方法包括以下步骤：提供一个铅粉电化学性能测试装置，利用待测试铅粉作为活性物质制备工作电极；将需要测试的电极连接于电化学工作站；设置电化学工作站的参数；按程序OCV→EIS→CV50圈→OCV→EIS→CV50圈→OCV→EIS对所述测试铅粉进行电化学性能测试；对所得的测试结果进行分析，进而评定以所述测试铅粉作活性物质的铅酸电池的充放电性能。本发明的铅酸电池电化学性能测试方法的测试效率较高，可靠性好，且可进行定量测试分析。
【专利说明】
一种铅酸电池电化学性能测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于电化学测试相关领域，更具体地，涉及一种铅酸电池电化学性能测试 方法，所述铅酸电池电化学测试方法适用于铅酸电池的快速电化学性能测试，其将铅酸电 池的活性物质原料铅粉通过电化学手段转化为电池的正极或者负极的活动物质，从而模拟 电池进行测试以确定其作为活性物质的铅酸电池的充放电性能，测试效率较高，可靠性好， 且可定量测试。
【背景技术】
[0002] 铅酸蓄电池的活性物质是由铅粉制备得到的。铅酸蓄电池的电化学性能的传统测 试方法是使用电池充放电仪测试组装的成品电池，从铅粉到电池成品的制备过程大约需要 耗时一周；在两电极体系测试容量特性和循环稳定性等，测试周期通常在3个月以上，整个 测试周期较长。此外，两电极的测试方法不能针对性的进行电池负极或是正极测试，测试结 果的优劣很难判断是电池正极还是负极的贡献。
[0003] 本领域相关科研人员已经针对上述问题进行了一些研究，如中国发明专利 201521080397.6公开了一种基于小极板的铅粉电化学性能检测方法，其将活性物质制备成 小极板，但工作电极的制备同样需要经历电池极板制备的固化和化成过程，制备时间较长， 大约历时一周；且制备过程中的影响因素多，无法确定检测差异是由于铅粉本身的性能差 异还是由于操作、制备过程各种因素不同综合导致电池性能优劣。又如中国实用新型专利 CN202075263U提供了一种基于超微电极的铅粉电化学性能检测装置，其缩短了测试周期， 但是微孔电极利用物理挤压的方法将活性物质压在微孔中，一次测量的铅粉量较少，且测 试时铅粉易脱落，导致对参加反应的铅粉无法进行定量测试其电化学性能。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铅酸电池电化学性能测 试方法，其结合铅粉本身的特性及其测试特点，针对铅酸电池电化学性能测试方法中使用 的铅粉电化学测试装置的结构及工作电极的制备进行了设计研究。所述铅酸电池电化学测 试方法适用于铅酸电池的快速电化学性能测试，其将铅酸电池的活性物质原料铅粉通过电 化学手段转化为电池的正极或者负极的活性物质，从而模拟电池进行测试以确定其作为活 性物质的铅酸电池的充放电性能，测试效率较高，可靠性较高，且可定量测试。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种铅酸电池电化学性能测试方法，其包括以下 步骤：
[0006] (a)提供一个铅粉电化学性能测试装置，其包括本体、电解液、参比电极、对电极、 玻碳电极及导电底座，所述本体开设有贯穿其相背的两端的电解槽;所述参比电极与所述 对电极间隔设置，且所述参比电极的一端与所述对电极的一端均浸泡在所述电解液中，对 所述玻碳电极进行处理;之后，将测试铅粉与导电剂、粘结剂按质量比例混合均匀后加入 lmL~2mL的溶解剂制成膏状物，并将所述膏状物均匀的涂至所述玻碳电极的表面后进行烘 干，以形成工作电极;随后，将作为所述工作电极的基底的所述玻碳电极固定在的所述导电 底座上;接着，将所述导电底座通过螺栓固定在所述本体上，使所述工作电极密封所述电解 槽的一开口；最后，将所述电解液倒入所述电解槽内，并将参比电极的一端及所述对电极的 一端插入所述电解液中；
[0007] (b)将需要测试的电极连接于电化学工作站；
[0008] (C)设置电化学工作站的参数，El S参数中的扫描频率范围为100kHz~10MHz，振幅 为5mV; CV参数中的正极的电位扫描区间为0V~1.5V，负极的电位扫描区间为-0.5V~-1.3V，扫描速度为20mV/s;
[0009] (d)按程序 0CV-EIS-CV50圈-0CV4EIS-CV50圈-0CV-EIS 对所述测试铅粉进 行电化学性能测试；
[0010] (e)对步骤(d)所得的测试结果进行分析，进而评定以所述测试铅粉作活性物质的 铅酸电池的充放电性能。
[0011] 进一步的，所述测试铅粉、所述导电剂、所述粘结剂的质量比例为8:1:1，其中所述 测试铅粉的使用量为〇. 4g~0.8g。
[0012] 进一步的，所述玻碳电极的处理包括以下步骤：
[0013] (all)，将所述玻炭电极用砂纸打磨光滑后放入丙酮溶液中；
[0014] (al2)，将浸泡在所述丙酮溶液内的所述玻碳电极在功率为40W的超声下处理5-30min；
[0015] (al3)，将所述玻碳电极自所述丙酮溶液中取出后放入乙醇溶液中，同样在功率为 40W的超声下处理5-30min。
[0016] 进一步的，所述电解液是浓度为3mol/L~5mol/L的H2S04溶液。
[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的铅 酸电池电化学性能测试方法，其适用于铅酸电池的快速电化学性能测试，其将铅酸电池的 活性物质原料铅粉通过电化学手段转化为电池的正极或者负极的活性物质，从而模拟电池 进行测试以确定其作为活性物质的铅酸电池的充放电性能，测试效率较高，可靠性较高。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明较佳实施方式提供的铅酸电池电化学性能测试方法中使用的铅粉电 化学性能测试装置的结构示意图。
[0019] 图2是图1中的铅酸电化学性能测试方法的流程图。
[0020] 图3是采用图1中的铅酸电池电化学性能测试方法获得的在扫描速度为20mV/s条 件下，掺铜铅粉CV(the cycle of imax)曲线。
[0021] 图4是采用图1中的铅酸电池电化学性能测试方法获得的铅粉含不同铜杂量时的 放电容量曲线图。
[0022] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1_本体，11-电 解槽，12-环形收容槽，2-橡胶垫圈，3-工作电极，4-玻碳电极，5-导电底座。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]请参阅图1至图4,本发明较佳实施方式提供的铅酸电池电化学性能测试方法，其 将铅酸电池的活性物质原料铅粉通过电化学手段转化为电池的正极或负极的活性物质，从 而模拟电池测试结果，其模拟电池的测试结果与电池的实际测试结果一致性较高。所述铅 酸电池电化学性能测试方法包括以下步骤：
[0025]步骤1，提供一个铅粉电化学性能测试装置，并制作工作电极3。所述铅粉电化学性 能测试装置包括本体1、参比电极、对电极、电解液、橡胶垫圈2、玻碳电极4及导电底座5。
[0026] 所述本体1基本呈圆柱状，其开设有贯穿其相背的两端的电解槽11，所述电解槽11 用于收容所述电解液。本实施方式中，所述电解槽11为阶梯槽，其尺寸较小的一端邻近所述 玻碳电极4。所述本体1朝向所述导电底座5的一端开设有环形收容槽12,所述环形收容槽12 用于收容所述橡胶垫圈2。本实施方式中，所述环形收容槽12的中心轴与所述电解槽11的中 心轴大致重合。
[0027] 所述玻碳电极4固定在所述导电底座5上，所述玻碳电极4为所述工作电极3的基 底。所述玻碳电极4电性连接所述导电底座5,所述工作电极3的电化学信号经所述玻碳电极 4传输到所述导电底座5上，进而由所述导电底座5传输出来以对铅粉进行电化学性能分析。
[0028] 具体地，所述工作电极3的制备包括以下步骤：
[0029] 第一步，将所述玻炭电极4用砂纸打磨光滑后放入丙酮溶液中，并在功率为40W的 超声下处理5-30min，之后再将所述玻碳电极4自所述丙酮溶液取出后放入乙醇溶液中，同 样在功率为40W的超声下处理5-30min。
[0030] 第二步，测试铅粉与导电剂、粘结剂按比例混合均匀，并加入lmL~2mL的溶解剂 (匪P)制成膏状物，将所述膏状物均匀的涂至经过处理的所述玻碳电极4的表面，然后将所 述玻碳电极4放入烘箱，在烘干温度为80-120 °C的条件下烘烤3-8小时，以形成工作电极3。 本实施方式中，所述铅粉、所述导电剂、所述粘结剂的质量比例为8:1:1，其中所述铅粉的使 用量为〇.4g~0.8g;所述导电剂是石墨;所述粘结剂是PVDF。
[0031] 第三步，将作为所述工作电极3的基底的所述玻碳电极2通过螺丝固定在的所述导 电底座5上。
[0032] 第四步，将所述导电底座5通过螺栓固定在所述本体1上，使所述工作电极3与所述 橡胶垫圈2相抵紧，进而使所述橡胶垫圈2与所述工作电极3配合以密封所述电解槽11邻近 所述导电底座5的开口，防止所述电解槽11收容的电解液漏出；随后，将所述电解液倒入所 述电解槽11内，并将参比电极的一端及所述对电极的一端插入所述电解液中。
[0033]本实施方式中，所述参比电极为饱和硫酸亚汞电极，所述电解液是浓度为3mol/L ~5mo 1 /L的H2 S〇4溶液。
[0034]步骤2,将需要测试的电极连接于电化学工作站。
[0035]步骤3，设置电化学工作站的参数。具体地，ElS参数：扫描频率范围为100kHz~ 10MHz，振幅为5mV; CV参数：正极的电位扫描区间为0~1.5V，负极的电位扫描区间为-0.5 ~-1.3V，扫描速度为20mV/s。
[0036]步骤4:按 0CV-EIS-CV50 圈-0CV4EIS-CV50 圈-0CV-EIS 的程序进行测试。其 中，OCV为开路电压测试，EIS是电化学阻抗测试，CV是循环伏安法测试。各步骤依次为:ocv， 稳定测试系统-EIS，检测系统反应前阻抗-50圈CV，经过氧化还原反应将铅粉转化为铅酸 蓄电池正极或负极活性物质-0CV，系统稳定-EIS，测试转化后的系统阻抗-50圈CV，测试 铅酸蓄电池正极或负极活性物质的反应活性及循环性能-EIS，测试循环后的系统阻抗。
[0037] 步骤5:对步骤4所得的测试结果进行分析。具体地包括EIS的分析、循环性能分析 及根据积分面积计算放电的性能。
[0038] 采用本发明提供的铅酸电池电化学性能测试方法研究了铅粉作为正极活性物质 时掺杂不同铜含量(质量)的电化学性能的影响，自图3的CV曲线(不同掺杂量铅粉最大峰电 流密度时的CV曲线比较)可以看出，在铜含量为0.01 % (质量)时，峰电流密度最大。研究表 明铅粉中掺杂〇. 01 % (质量)铜时，铅粉活性最强。
[0039]图4是根据面积积分计算的放电性能曲线图，其表示了不同铜掺杂量时铅粉放电 容量随循环次数的变化情况，自图中可以看出铜掺杂量为〇. 〇 1 % (质量)时的最大放电容量 比较高，所以铜掺杂量为0.01% (质量)时铅粉的电化学性能较好。
[0040]使用相同的掺杂Cu杂质的铅粉制备电池正极，装配好的电池参数见表1。比较采用 本发明提供的铅酸电池电化学性能测试方法测试获得的铅粉电化学性能结果与采用所述 铅粉制备出的电池的测试结果发现，电化学性能测试表现优异的铅粉，制备出来的电池在 低倍率放电容量、高倍率放电容量、自放电损失、循环性能方面也是最为优异的；电池的 100%放电深度循环性能与铅粉电化学CV循环性能的规律一致;铅粉电化学CV测试性能与 制备出来的电池容量性能规律相同。但是电池制备周期大约为7~9天，测试周期在4个月以 上，使用铅粉l〇〇g以上，本方提供的铅酸电池电化学性能测试方法的制备及测试周期在3天 以内，使用铅粉少于lg，大大节约了测试铅粉与测试时间，且可进行铅粉定量测试。此外，本 发明提供的铅酸电化学性能测试方法还提供EIS数据，为铅粉的电化学表现差异的机理分 析提供实验依据。
[0041 ] 表1 2Ah掺铜电池基本测试结果
[0042]
[0043] 本发明提供的铅酸电池电化学性能测试方法，其适用于铅酸电池的快速电化学性 能测试，其将铅酸电池的活性物质原料铅粉通过电化学手段转化为电池的正极或者负极的 活性物质，从而模拟电池进行测试以确定其作为铅酸电池的活性物质的充放电性能，测试 效率较高，可靠性较高。
[0044]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种铅酸电池电化学性能测试方法，其包括以下步骤： (a) 提供一个铅粉电化学性能测试装置，其包括本体、电解液、参比电极、对电极、玻碳 电极及导电底座，所述本体开设有贯穿其相背的两端的电解槽;所述参比电极与所述对电 极间隔设置，且所述参比电极的一端与所述对电极的一端均浸泡在所述电解液中，对所述 玻碳电极进行处理;之后，将测试铅粉与导电剂、粘结剂按质量比例混合均匀后加入1~2mL 的溶解剂制成膏状物，并将所述膏状物均匀的涂至所述玻碳电极的表面后进行烘干，以形 成工作电极;随后，将作为所述工作电极基底的所述玻碳电极固定在的所述导电底座上;接 着，将所述导电底座通过螺栓固定在所述本体上，使所述工作电极密封所述电解槽的一开 口；最后，将所述电解液倒入所述电解槽内，并将参比电极的一端及所述对电极的一端插入 所述电解液中； (b) 将需要测试的电极连接于电化学工作站； (c) 设置电化学工作站的参数，交流阻抗测试(El S)参数中的扫描频率范围为100kHz~ 10MHz，振幅为5mV;循环伏安测试(CV)参数中的正极的电位扫描区间为0V~1.5V，负极的电 位扫描区间为-0.5V~-1.3V，扫描速度为20mV/s; (d) 按程序0CV-EIS-CV50圈-0CV4EIS-CV50圈-0CV-EIS对所述测试铅粉制备的 工作电极进行电化学性能测试； (e) 对步骤(d)所得的测试结果进行分析，进而评定以所述测试铅粉作活性物质的铅酸 电池的充放电性能。2. 如权利要求1所述的铅酸电池电化学性能测试方法，其特征在于:所述测试铅粉、所 述导电剂、所述粘结剂的质量比例为8:1:1，其中所述测试铅粉的使用量为0.4~0.8g。3. 如权利要求1所述的铅酸电池电化学性能测试方法，其特征在于:所述玻碳电极的处 理包括以下步骤： (all)，将所述玻炭电极用砂纸打磨光滑后放入丙酮溶液中； (al2)，将浸泡在所述丙酮溶液内的所述玻碳电极在功率为40W的超声下处理5-30min; (al3 )，将所述玻碳电极自所述丙酮溶液中取出后放入乙醇溶液中，同样在功率为40W 的超声下处理5_30min。4. 如权利要求1所述的铅酸电池电化学性能测试方法，其特征在于:所述电解液是浓度 为3~5mol/L的H2SO4溶液。
【文档编号】G01R31/36GK106093785SQ201610405735
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】杨家宽, 胡雨辰, 胡敬平, 濮文虹, 任爽, 王俊雄, 喻文昊, 袁喜庆
【申请人】华中科技大学