一種鋰-空氣電池測試模具及其裝配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于非水系鋰-空氣電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種鋰-空氣電池測試模具及其裝配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰-空氣電池是一種以金屬鋰為陽極，以空氣電極為陰極的二次電池，其理論能量密度高達(dá)11400Wh kg'根據(jù)使用的電解質(zhì)類型的差別，目前已開發(fā)的鋰-空氣電池主要分為如下四類:
[0003]1.水系鋰-空氣電池；
[0004]2.非水系鋰-空氣電池；
[0005]3.有機(jī)-水混合體系鋰-空氣電池；
[0006]4.全固態(tài)體系鋰-空氣電池。
[0007]非水系鋰-空氣電池的工作原理如圖1所示。在放電過程中，金屬鋰氧化成Li+，在其濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下擴(kuò)散至陰極，結(jié)合陰極上氧氣的還原產(chǎn)物022_，形成不溶性的Li202。充電過程中Li2O2氧化釋放氧氣，并產(chǎn)生Li +擴(kuò)散至金屬鋰處還原成Li。空氣電極對氧氣的還原以及隨后的氧化過程對其電池的放電容量、充放電過電勢以及充放電循環(huán)性能的提升有著至關(guān)重要的作用。
[0008]在研宄非水系鋰-空氣電池的空氣電極部分時(shí)，通常以組裝全電池、并對其進(jìn)行充放電從而評價(jià)其催化活性。常見的非水系鋰-空氣電池的組裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，以金屬鋰片作為陽極，以多孔并具有一定催化活性的空氣電極作陰極，中間放置一層具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的絕緣材料并浸漬足夠的電解質(zhì)，以保證在鋰離子傳導(dǎo)的同時(shí)防止電子的傳輸。同時(shí)，為優(yōu)化電池的充放電性能，通常會(huì)在陰極加一層具有大孔結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散層。通過如圖2所示的組裝電池進(jìn)行電池的充放電測試，進(jìn)而評價(jià)空氣電極的催化活性。
[0009]在此基礎(chǔ)上，目前非水系鋰-空氣電池較為成熟的測試結(jié)構(gòu)主要包括扣式模擬電池以及Swagelok-type模具電池?？凼侥M電池采用商用鋰離子電池殼并在相應(yīng)的陰極部分開孔，以保證氧氣與陰極的接觸。該電池結(jié)構(gòu)簡單，但不能保證氧氣與陰極的充分接觸；無法保證有足夠的電解質(zhì)；同時(shí)，由于扣式電池是通過壓力機(jī)對正負(fù)極及電池殼壓制成的，屬于一次性電池，在對充放電產(chǎn)物進(jìn)行分析時(shí)，對于扣式電池需要用相應(yīng)的模具對其進(jìn)行破壞性拆解以取出相應(yīng)的電極進(jìn)行材料的表征，在一定程度上會(huì)增加其分析的成本，并且在拆解的過程中不可避免的會(huì)對電極有相應(yīng)的損壞，因此采用扣式模擬電池對電池充放電過程的分析也具有一定的復(fù)雜性與困難性。Swagelok-type模具電池通常是將Swagelok管接頭改造而成，盡管其具有良好的與氧氣接觸性、可拆卸性，但由于Swagelok管接頭特征的結(jié)構(gòu)，其電池制備過程復(fù)雜，不能方便的用鑷子進(jìn)行組裝操作；并且，由于管接頭形狀的特點(diǎn)，電解液容易傾倒流出，因此只能通過隔膜吸附一定量的電解液進(jìn)行測試，不能提供充足的電解質(zhì)；另外，該裝置只能保證電池處于氧氣氛圍中，難以對充電后產(chǎn)生的氣氛做有效的收集與分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于一種鋰-空氣電池測試模具及其裝配方法，其中通過對鋰-空氣電池測試模具關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)及設(shè)置方式等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決現(xiàn)有的電池測試模具無法同時(shí)滿足氧氣與空氣電極的充分接觸、充足的電解質(zhì)供給的問題，并且該電池測試模具具有良好的密封性以及方便的拆卸性，使電池和電池測試模具能夠重復(fù)利用。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種鋰-空氣電池測試模具，其特征在于，包括金屬底座、壓頭和半封閉罩；其中，
[0012]所述金屬底座具有向內(nèi)凹陷的凹臺(tái)，該凹臺(tái)內(nèi)設(shè)置有絕緣環(huán)，所述絕緣環(huán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與凹臺(tái)的內(nèi)壁完全接觸；
[0013]所述壓頭具有圓柱形桿和與所述絕緣環(huán)相匹配的端面，該端面所在的平面與所述圓柱形桿的軸向方向相互垂直；所述凹臺(tái)、絕緣環(huán)和壓頭端面構(gòu)成的空間用于放置鋰-空氣電池，所述壓頭端面用于與鋰-空氣電池接觸；所述壓頭為中空結(jié)構(gòu)，用于向鋰-空氣電池傳輸氣體；
[0014]所述半封閉罩為一端開口的圓筒形，用于包圍所述金屬底座的凹臺(tái)和壓頭；所述半封閉罩上設(shè)置有進(jìn)氣管道和出氣管道；所述進(jìn)氣管道與所述壓頭連接，并與所述壓頭的中空結(jié)構(gòu)連通，用于向鋰-空氣電池傳輸氣體；所述半封閉罩與金屬底座連接形成半封閉的空間，該半封閉的空間僅有所述進(jìn)氣管道和出氣管道不封閉。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述金屬底座與半封閉罩之間螺紋連接。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述半封閉罩包括上蓋和兩端開口的圓筒形壁，所述進(jìn)氣管道位于所述上蓋上，所述出氣管道位于所述圓筒形壁上。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述上蓋與圓筒形壁之間螺紋連接。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述壓頭端面上具有向內(nèi)凹陷的放射狀或者環(huán)形放射狀紋路，并且在所述端面的邊緣處，具有向所述壓頭圓柱形桿軸線方向凹陷的缺口，用于輸出鋰-空氣電池測試后的氣體。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述壓頭的圓柱形桿上套有彈簧，用于壓緊鋰-空氣電池。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述進(jìn)氣管道、出氣管道均與所述半封閉罩之間螺紋連接。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述金屬底座、壓頭和進(jìn)氣管道均采用304號不銹鋼；所述絕緣環(huán)、半封閉罩和出氣管道均采用聚四氟乙烯。
[0022]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種鋰-空氣電池測試模具的裝配方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0023](I)將集流體放置在所述絕緣環(huán)內(nèi)、金屬底座的凹臺(tái)上；接著，在所述集流體上依次放置鋰片、隔膜和電極片，使所述集流體、鋰片、隔膜和電極片的中心位于同一條直線上，且該直線與金屬底座凹臺(tái)表面所在的平面垂直；
[0024](2)向所述電極片上滴加電解液，然后靜置，使所述電解液滲入到所述隔膜里；接著，在所述電極片上放置所述壓頭，使所述壓頭端面與所述電極片接觸；最后，用所述半封閉罩包圍所述凹臺(tái)和壓頭，形成所述的半封閉的空間。
[0025]通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0026]1.單獨(dú)設(shè)置的進(jìn)氣和出氣管道加強(qiáng)了氣體的流通，使鋰-空氣電池中的空氣電極能夠與輸入氣體(一般為氧氣)充分接觸，從而使鋰-空氣電池的充放電反應(yīng)能夠充分進(jìn)行，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0027]另外，出氣管道還可以收集經(jīng)充放電反應(yīng)后的氣體，分析其組成、流量等，從而得出鋰-空氣電池充放電反應(yīng)的詳細(xì)信息，如單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量等。
[0028]2.凹臺(tái)的空間大小可以靈活調(diào)整，確保電解質(zhì)的足量供應(yīng)。金屬底座上設(shè)置的凹臺(tái)能夠方便的放置電池結(jié)構(gòu)，使電解液不會(huì)輕易流出；而凹臺(tái)的空間大小可以靈活調(diào)整，確保鋰-空氣電池電解質(zhì)的足量供應(yīng)。由于電池中電解液可以足量供應(yīng)，而測試過程中電解液的揮發(fā)并不會(huì)導(dǎo)致電池性能的明顯波動(dòng)，電池性能更加穩(wěn)定，也使得電池測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0029]3.由于鋰-空氣電池放置在由半封閉罩和金屬底座連接形成的半封閉空間內(nèi)，該半封閉空間僅有進(jìn)氣管道和出氣管道不封閉，通過控制進(jìn)氣管道輸入的氣氛，可以有效減小其他氣體氛圍(如水、二氧化碳等)對電池測試的干擾，達(dá)到電池測試氣氛的嚴(yán)格控制。
[0030]另外，為了進(jìn)一步提高該電池測試模具的封閉性，可以在各個(gè)螺紋接口處(如，半封閉罩與金屬底座的螺紋連接處、上蓋與圓筒形壁的螺紋連接處、進(jìn)氣管道與半封閉罩的螺紋連接處、出氣管道與半封閉罩的螺紋連接處等)涂密封膠。
[0031]4.電池測試模具各部件間的連接采用螺紋連接，使得該電池測試模具能夠進(jìn)行非破壞性拆解，既能夠不破壞鋰-空氣電池，對鋰-空氣電池充放電過程的物質(zhì)進(jìn)行分析，同時(shí)也便于該電池測試模具的重復(fù)利用。
[0032]5.使用特別設(shè)計(jì)的壓頭與鋰-空氣電池接觸，可優(yōu)選的在該壓頭上套設(shè)彈簧，能夠使鋰-空氣電池各內(nèi)部結(jié)構(gòu)(例如如圖2所示的各結(jié)構(gòu))緊密接觸，確保鋰-空氣電池充放電反應(yīng)的充分進(jìn)行。
[0033]另外，壓頭端面具有向內(nèi)凹陷的放射狀或者環(huán)形放射狀紋路，并且在所述端面的邊緣處具有向所述壓頭圓柱形桿軸線方向凹陷的缺口，既能保證壓頭與鋰-空氣電池陰極片的有效接觸，也使得經(jīng)鋰-空氣電池的充放電反應(yīng)后的氣氛能夠迅速排出，被所述出氣管道收集。
[0034]本發(fā)明中的鋰-空氣電池測試模具可適用于對鋰-空氣電池進(jìn)行測試，尤其是適用于非水系鋰-空氣電池。該電池