用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池及其實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于利用透射紅外原位研究鋰離子電池氣體產(chǎn)生行為的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一 種能夠用于原位研究鋰離子電池在充放電過程中氣體產(chǎn)生行為的透射紅外電解池及其實(shí) 驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)是重要的分子振動(dòng)光譜之一，它通過紅外吸收頻率和 強(qiáng)度的變化能夠檢測表面吸附物種、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物，從而獲得有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的重要 信息，在研究反應(yīng)分子在電極表面成鍵、配位、取向、轉(zhuǎn)化等過程中發(fā)揮了獨(dú)特的作用。目前 紅外光譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋰離子二次電池的基礎(chǔ)研究中，有力的推動(dòng)了電化學(xué)學(xué)科從 宏觀、唯像到微觀和分子水平的發(fā)展。該方法用于研究化學(xué)電源電極的電化學(xué)過程，不僅可 以深化對于相應(yīng)的電極過程與反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識和理解，而且為改進(jìn)現(xiàn)有化學(xué)電源的性能， 設(shè)計(jì)新的化學(xué)電源品種提供理論指導(dǎo)。鋰離子二次電池中的原位反射紅外光譜是指在電化 學(xué)反應(yīng)過程中，用紅外光譜直接對其進(jìn)行表征，獲得分子水平的反應(yīng)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足，提供一種用于鋰離子電池氣體檢測 的原位透射紅外電解池及其實(shí)驗(yàn)方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，包括池體、紅外窗口片、正極極 片、隔膜、負(fù)極極片，池體的上下端中間位置處開孔，開孔處粘貼紅外窗口片;池體內(nèi)部含有 正極極片、隔膜、負(fù)極極片，且三種片狀均在中間位置處開孔。
[0005] -種利用上述原位透射紅外電解池檢測鋰離子電池氣體的方法，包括如下步驟： 一、 將準(zhǔn)備好的池體、紅外窗口片、正極極片、隔膜、負(fù)極極片移入氬氣手套箱中，將正 極極片、隔膜、負(fù)極極片依次放入池體中，再滴加不同的電解液組裝成不同電解液體系的透 射紅外電解池； 二、 將透射紅外電解池進(jìn)行充電，在進(jìn)行首次充電的同時(shí)在不同電壓下采集電解池的 氣體析出情況，得到不同電壓下的紅外譜圖； 三、 將得到的紅外譜圖由下列公式進(jìn)行處理的：
其中，R(ES)和R(Er)分別為樣品電壓ES和參比電壓ER下的紅外譜，本實(shí)驗(yàn)所用的參比譜 圖均為電池電壓在4.0V時(shí)所采集的紅外譜圖。
[0006] 本發(fā)明中，所述正極極片由LiCoC^LiNiuMnwC^LiMCMMiNlCc^Mn三種元素不 同比例混合)等正極材料粘結(jié)在A1箱所制成。
[0007]本發(fā)明中，所述隔膜為聚丙烯或聚乙烯薄膜。
[0008]本發(fā)明中，所述負(fù)極極片由等石墨、MCMB、娃基材料等負(fù)極材料粘結(jié)在A1箱所制成 或?yàn)榻饘黉嚻?br>[0009]本發(fā)明中，所述池體為不銹鋼材料。
[0010] 本發(fā)明中，所述紅外窗口片為CaF2、BaF2或Ge等材料。
[0011] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、由于紅外窗口片及貫穿孔的存在，電解池能夠確保紅外光能夠透過整個(gè)電解池。
[0012] 2、池體上下端通過粘貼紅外窗口片使得原位紅外透射電解池內(nèi)部能夠保持惰性 氣氛，確保電解池內(nèi)部的充放電測試與正常情況下的扣式電池測試相一致，使得實(shí)驗(yàn)所采 集的氣體析出情況與扣式電池相同。
[0013] 3、池體采用不銹鋼材料，具有良好的導(dǎo)電性能夠進(jìn)行充放電測試。
[0014] 4、電解池在有限的空間內(nèi)對鋰離子電池在充放電過程中產(chǎn)生的氣體實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí) 監(jiān)測。
[0015] 5、本發(fā)明具有體積小、質(zhì)量輕、組裝方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合與電化學(xué)質(zhì)譜檢測系 統(tǒng)、傅里葉變換紅外光譜儀等設(shè)備連用，是原位研究不同電位下鋰離子電池產(chǎn)生氣體種類 的一種非常好的裝置，實(shí)現(xiàn)快速、高靈敏、無干擾的在線氣體檢測。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射FTIRS電解池的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是采用本發(fā)明用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射FTIRS電解池采集的電解液體 系為1 M LiPF6/DMC在LiCo02/Li電池中不同充電電壓下的氣體析出情況； 圖3是采用本發(fā)明用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射FTIRS電解池采集的電解液體 系為1 M LiPF6/EMC在LiCo02/Li電池中不同充電電壓下的氣體析出情況； 圖4是采用本發(fā)明用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射FTIRS電解池采集的電解液體 系為1 M LiPF6/EC+DMC(體積比為1:1)在LiNii.5Mno.5O2/Li電池中不同充電電壓下的氣體析 出情況； 圖5是采用本發(fā)明用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射FTIRS電解池采集的電解液體 系為1 M LiPF6/FEC+DMC(體積比為1:4)在LiNii.5Mno.5O2/Li電池中不同充電電壓下的氣體 析出情況。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明提供的原位透射紅外電解池由池體1、紅外窗口片2、正極極片 3、隔膜5、負(fù)極極片4構(gòu)成，池體1的上下端中間位置處開孔，開孔處粘貼紅外窗口片2;池體1 內(nèi)部含有正極極片3、隔膜5、負(fù)極極片4,將正極極片3、隔膜5、負(fù)極極片4依次進(jìn)行組裝，且 三種片狀均在中間位置處開孔6以便于紅外光能夠透過電解池。
[0019] 下面列舉兩個(gè)本發(fā)明原位透射紅外電解池的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0020] 實(shí)施例1: 利用正極材料LiC〇02制備的電極為研究電極，分別研究了電解液體系為1 M LiPF6/ DMC、1 M LiPF6/EMC在首次充電過程中不同電壓下的氣體產(chǎn)生情況。
[0021] 制作透射紅外用的扣式電池進(jìn)行測試，測試條件為:恒流充電，電流密度為20mA/ g;電壓范圍3.5-5.0V。氣體紅外譜圖的采集是每間隔0.1V采集一次。圖2和圖3分別為電解 液體系為1 M LiPF6/DMC、l M LiPF6/EMC在首次充電過程中不同電壓下的氣體產(chǎn)生情況的 紅外譜圖。從紅外譜圖2和圖3中能夠看出當(dāng)電池電壓充至4.4V以上時(shí)有氣體產(chǎn)生，產(chǎn)生的 氣體主要以C0 2為主，另外有〇14、0^4、(：2!16、(：3!1 8和〇)生成，該結(jié)果在抑制氣體的發(fā)生，改善電 池性能等方面的研究中將起到指導(dǎo)性的作用。
[0022] 實(shí)施例2: 利用正極材料LiNi〇. 5Mm. 5〇2制備的電極為研究電極，分別研究了電解液體系為1 Μ LiPF6/EC+DMC(體積比為1:1)、1 M LiPF6/FEC+DMC(體積比為1:4)在首次充電過程中不同電 壓下的氣體產(chǎn)生情況。
[0023]制作透射紅外用的扣式電池進(jìn)行測試，測試條件為：恒流充電，電流密度為20mA/ g;電壓范圍3.5-5.0V。氣體紅外譜圖的采集是每間隔0.1 V采集一次。圖4和圖5為電解液體 系為1 M LiPF6/EC+DMC(體積比為1:1)、1 M LiPF6/FEC+DMC(體積比為1:4)在首次充電過程 中不同電壓下的氣體產(chǎn)生情況的紅外譜圖。從圖4和圖5能夠看出，電解液體系EC+DMC(體積 比為1:1)所產(chǎn)生的氣體量很多，而FEC+EMC(體積比為1:4)體系只有少量的氣體產(chǎn)生，這說 明FEC基電解液很好的抑制了電解液在高電壓的分解。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在于所述原位透射紅 外電解池由池體、紅外窗口片、正極極片、隔膜、負(fù)極極片構(gòu)成，池體的上下端中間位置處開 孔，開孔處粘貼紅外窗口片;池體內(nèi)部含有正極極片、隔膜、負(fù)極極片，且=種片狀均在中間 位置處開孔。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述正極極片由正極材料粘結(jié)在Al錐所制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述正極材料為 LiCo〇2、Li 化 i.5Mn〇.5〇2 或 LiM〇2，M=化、Co、Mn。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述隔膜為聚丙締或聚乙締薄膜。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述負(fù)極極片由負(fù)極材料粘結(jié)在Al錐所制成或?yàn)榻饘傺e片。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述負(fù)極材料為等石墨、MCMB或娃基材料。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述池體為不誘鋼材料。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于裡離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池，其特征在 于所述紅外窗口片為化F2、BaF2或Ge。9. 一種利用權(quán)利要求1-8任一權(quán)利要求所述的原位透射紅外電解池檢測裡離子電池氣 體的方法，其特征在于所述方法步驟如下： 一、 將準(zhǔn)備好的池體、紅外窗口片、正極極片、隔膜、負(fù)極極片移入氣氣手套箱中，將正 極極片、隔膜、負(fù)極極片依次放入池體中，再滴加不同的電解液組裝成不同電解液體系的透 射紅外電解池； 二、 將透射紅外電解池進(jìn)行充電，在進(jìn)行首次充電的同時(shí)在不同電壓下采集電解池的 氣體析出情況，得到不同電壓下的紅外譜圖； S、將得到的紅外譜圖由下列公式進(jìn)行處理的：其中，R巧S)和R(Er)分別為樣品電壓Es和參比電壓Er下的紅外譜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鋰離子電池氣體檢測的原位透射紅外電解池及其實(shí)驗(yàn)方法，所述原位透射紅外電解池由池體、紅外窗口片、正極極片、隔膜、負(fù)極極片構(gòu)成，池體的上下端中間位置處開孔，開孔處粘貼紅外窗口片；池體內(nèi)部含有正極極片、隔膜、負(fù)極極片，且三種片狀均在中間位置處開孔。本發(fā)明具有體積小、質(zhì)量輕、組裝方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合與電化學(xué)質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、傅里葉變換紅外光譜儀等設(shè)備連用，是原位研究不同電位下鋰離子電池產(chǎn)生氣體種類的一種非常好的裝置，實(shí)現(xiàn)快速、高靈敏、無干擾的在線氣體檢測。
【IPC分類】G01N27/28, G01N21/3504
【公開號】CN105651723
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】高云智, 王龍, 屈云騰, 王書洋, 尹鴿平
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年12月30日