一種鋰-空氣電池測試模具及其裝配方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于非水系鋰-空氣電池領域，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】
[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11400Wh kg'根據(jù)使用的電解質類型的差別，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-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+，在其濃度梯度的驅動下擴散至陰極，結合陰極上氧氣的還原產物022_，形成不溶性的Li202。充電過程中Li2O2氧化釋放氧氣，并產生Li +擴散至金屬鋰處還原成Li?？諝怆姌O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，通常以組裝全電池、并對其進行充放電從而評價其催化活性。常見的非水系鋰-空氣電池的組裝結構如圖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構的絕緣材料并浸漬足夠的電解質，以保證在鋰離子傳導的同時防止電子的傳輸。同時，為優(yōu)化電池的充放電性能，通常會在陰極加一層具有大孔結構的空氣擴散層。通過如圖2所示的組裝電池進行電池的充放電測試，進而評價空氣電極的催化活性。
[0009]在此基礎上，目前非水系鋰-空氣電池較為成熟的測試結構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的陰極部分開孔，以保證氧氣與陰極的接觸。該電池結構簡單，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；同時，由于扣式電池是通過壓力機對正負極及電池殼壓制成的，屬于一次性電池，在對充放電產物進行分析時，對于扣式電池需要用相應的模具對其進行破壞性拆解以取出相應的電極進行材料的表征，在一定程度上會增加其分析的成本，并且在拆解的過程中不可避免的會對電極有相應的損壞，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管接頭特征的結構，其電池制備過程復雜，不能方便的用鑷子進行組裝操作；并且，由于管接頭形狀的特點，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行測試，不能提供充足的電解質；另外，該裝置只能保證電池處于氧氣氛圍中，難以對充電后產生的氣氛做有效的收集與分析。

【發(fā)明內容】

[0010]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，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鍵組件的結構及設置方式等進行改進，與現(xiàn)有技術相比能夠有效解決現(xiàn)有的電池測試模具無法同時滿足氧氣與空氣電極的充分接觸、充足的電解質供給的問題，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利用。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，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凹陷的凹臺，該凹臺內設置有絕緣環(huán)，所述絕緣環(huán)的環(huán)狀結構與凹臺的內壁完全接觸；
[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、絕緣環(huán)和壓頭端面構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；所述壓頭為中空結構，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和壓頭；所述半封閉罩上設置有進氣管道和出氣管道；所述進氣管道與所述壓頭連接，并與所述壓頭的中空結構連通，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氣管道和出氣管道不封閉。
[0015]作為本發(fā)明的進一步優(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)明的進一步優(yōu)選，所述壓頭端面上具有向內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)明的進一步優(yōu)選，所述進氣管道、出氣管道均與所述半封閉罩之間螺紋連接。
[0021]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述金屬底座、壓頭和進氣管道均采用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、金屬底座的凹臺上；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和壓頭，形成所述的半封閉的空間。
[0025]通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果:
[0026]1.單獨設置的進氣和出氣管道加強了氣體的流通，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能夠充分進行，確保測試結果的準確性。
[0027]另外，出氣管道還可以收集經充放電反應后的氣體，分析其組成、流量等，從而得出鋰-空氣電池充放電反應的詳細信息，如單位時間內的耗氧量等。
[0028]2.凹臺的空間大小可以靈活調整，確保電解質的足量供應。金屬底座上設置的凹臺能夠方便的放置電池結構，使電解液不會輕易流出；而凹臺的空間大小可以靈活調整，確保鋰-空氣電池電解質的足量供應。由于電池中電解液可以足量供應，而測試過程中電解液的揮發(fā)并不會導致電池性能的明顯波動，電池性能更加穩(wěn)定，也使得電池測試結果更加準確。
[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，該半封閉空間僅有進氣管道和出氣管道不封閉，通過控制進氣管道輸入的氣氛，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，達到電池測試氣氛的嚴格控制。
[0030]另外，為了進一步提高該電池測試模具的封閉性，可以在各個螺紋接口處(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進行分析，同時也便于該電池測試模具的重復利用。
[0032]5.使用特別設計的壓頭與鋰-空氣電池接觸，可優(yōu)選的在該壓頭上套設彈簧，能夠使鋰-空氣電池各內部結構(例如如圖2所示的各結構)緊密接觸，確保鋰-空氣電池充放電反應的充分進行。
[0033]另外，壓頭端面具有向內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，也使得經鋰-空氣電池的充放電反應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-空氣電池進行測試，尤其是適用于非水系鋰-空氣電池。該電池