讓燃料電池測試更智能
鋰離子電池在首次充電過程中,電解液與負極材料發生反應在表面形成固體電解質界面膜(SEI,Solid Electrolyte Interface),并伴隨產氣,如氫氣、二氧化碳、甲烷等。該過程屬于正常產氣,被稱為化成階段。當鋰電池在過充放電過程時,也會異常產氣,導致電池形變、封裝破損、內部接觸不良,從而引起安全事故。因此,準確掌握電池的產氣量大小、深入了解產氣規律,有助于優化電池材料體系和電解液,對電池制作工藝優化至關重要。
以往,對于從軟包鋰電池中提取氣體樣本一直是一項具有挑戰性的工作。傳統的方法是用一根鋒利的針穿透軟包電池,這樣可以一次性測量氣體,但在此過程中會破壞軟包電池。而且,這種方法不適合與多種時間、不同電壓或充電狀態(SoC)相關的測量,也不允許連續監測電池內部的產氣過程。因此,該傳統方法存在的問題是測試具有破壞性,不能用于非侵入和重復氣體取樣。它也沒有提供一種從軟包電池中提取永久性氣體而不損壞它的方法。
為了克服這些限制,德國明斯特大學(University of Münster)的Jan-Patrick組于2020年引入了一種氣體采樣端口(GSP,Gas Sampling Port)用于從鋰離子軟包電池中原位采集產氣(DOI 10.1149/1945-7111/ab8409)。GSP是一種基于聚丙烯(PP)的套管系統,它被熱封到袋箔的內層。它允許非破壞性和重復氣體采樣,而不會顯著影響袋狀電池的電化學性能。通過引入GSP,研究人員能夠對軟包電池內形成的氣體進行原位分析。這使他們能夠在不損害電池完整性的情況下研究氣體的產量和組成。
關于產氣量的測定,作者仍然采用的是傳統的“阿基米德法”。這種方法的基本原理是將軟包電池懸掛于流體中,如MilliQ水中。由于軟包電池受到的液體浮力會對小型薄膜測壓傳感器施加一個力,則傳感器中應變片的變形會導致電阻變化形成電信號,然后再轉化為力數據。通過阿基米德浮力公式,其產生的浮力與同體積排開的液體的重量相等,即可換算出軟包電池的產氣量。但此方法為間接計算產氣量,操作裝置較為復雜、誤差較大、精度不足、重復性不足。且此方法僅能用于軟包電池的產氣量測量,不具有兼容方形電池、圓柱電池的廣泛性。
電弛DCGPT原位鋰電池產氣量測定儀采用超微量氣體流量測量技術(專利氣體測量單元),其原理為直接將鋰電池產氣引入超微量氣體測量模塊,當氣體流過特殊設計的流道中的惰性液體時,會產生均勻的氣泡并計數累計產氣量。該技術的直接測量精度可達約30 μL,且支持連續或非連續氣流的測量。將該技術結合不同的接口,可實時在線連續原位監測軟包、方形、圓柱等各種類型電池的產氣行為,并得到如產氣量、產氣速率等數據。同時,可直接與GC、DEMS等氣體組分分析設備串聯,用于進一步的氣體組分分析。相較于傳統的排水法(基于阿基米德浮力定律)、集氣法(基于理想氣體狀態方程),電弛GPT可實現直接動態監測氣體的微量體積變化并與氣體成分分析設備進行聯動分析,有助于鋰電池材料研發和電芯產氣機理的分析研究。
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