一种联合CT-DEMS的水系电池原位检测装置及方法
本发明涉及电池检测，具体涉及一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置及方法。
背景技术：
1、随着锌离子电池、钙离子电池、钾离子电池等新型二次电池技术的飞速发展，尤其是在水系电池研究领域的不断深入，对于优化电解液、电极材料及其界面性能的需求愈发凸显。其中，碱性水系镍锌电池以其广泛的应用前景、低廉的成本和高度的安全性，尤其是其在低温环境下的稳定充放电性能，受到广泛关注。然而，这一电池体系仍面临一些关键挑战。首先，在碱性水系镍锌电池中，常用的碱性电解液在充电过程中会导致锌在充电位置沉积，导致连续循环后电极形态改变和枝晶生长，锌枝晶有可能穿透分离器使电池短路。其次，锌阳极在充放电过程中可能发生的析氢副反应，这一反应不仅会增加电池内部的压力，而且产生的氢气泡还可能阻塞离子传输通道，导致电池库仑效率低。再者，随着电化学反应的持续进行，电解液中的锌沉积、析氢反应以及电解质过饱和等现象，会在未反应的锌表面形成一层氧化锌钝化层。这层钝化层将阻碍电极与电解质界面上的离子交换，导致锌电极的利用率低下，进一步影响电池的充放电性能。因此，如何研发一种新型的水系电池原位检测装置，能监测水系电池在不同工况下的内部状态，包括枝晶的形成过程、产气情况以及与温度、电压等关键参数的关系，是目前迫切需要解决的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是：提供一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，包括原位检测单元和ct成像单元，在原位工况条件下对充放电过程中的水系电池进行x射线计算机断层扫描成像表征，并与dems系统联用监测过程中的产气情况，实现对水系电池结构及产气的原位实时检测。
2、本发明的第二个目的是：提供一种联合ct-dems的水系电池原位检测方法，在原位检测单元内导通待检测电池产气至dems系统，同时通过ct成像单元驱动原位检测单元转动并发出x线辐射源穿透待检测电池，实时检测电池结构变化的情况。
3、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
4、一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，包括：原位检测单元，所述原位检测单元包括串联布置的固定盖体、可转动壳体、电池壳体和基座，其中，所述可转动壳体位于所述固定盖体的下方且相对其转动，所述固定盖体的上部具有与外部的dems系统流体连通的第一开口，以及其底部具有与所述可转动壳体内部流体连通的第二开口，所述电池壳体分别与所述可转动壳体和所述基座可拆卸连接，所述可转动壳体内部具有第一导体，所述基座内部具有第二导体，所述第一导体与所述第二导体之间将所述电池壳体内限定出电池容纳腔，所述电池容纳腔内的待检测电池分别与所述第一导体和所述第二导体导通；ct成像单元，所述ct成像单元包括相对设置x线发生器和平板探测器，所述x线发生器和所述平板探测器之间配置有可升降转动平台，所述原位检测单元位于所述可升降转动平台上，其中，待检测电池产生的气体流经所述可转动壳体和所述固定盖体并通过所述第一开口排出至所述dems系统，同时所述可升降转动平台驱动所述基座转动并带动所述电池壳体和所述可转动壳体一起转动，而连接至dems系统的所述固定盖体保持静止状态，所述x线发生器发出的x线辐射源穿透转动的所述电池壳体并到达所述平板探测器，以将待检测电池的结构变化进行成像监测。
5、进一步的，所述第二开口内配置有轴承，所述固定盖体通过所述轴承与所述可转动壳体转动连接，所述固定盖体内部配置有第一流体通道，所述第一开口通过所述第一流体通道与所述第二开口连通，所述第一导体上具有贯通的第二流体通道，所述第二流体通道分别与所述第一流体通道和所述电池容纳腔流体连通。
6、进一步的，所述基座的底部还配置有用于向所述第二导体传热或传冷的半导体，所述原位检测单元的外部配置有制热模块和制冷模块，所述半导体分别与所述制热模块和所述制冷模块电路连接。
7、进一步的，所述原位检测单元的检测温度为-60至120℃。
8、进一步的，所述原位检测单元的外部配置有电化学工作站，所述电化学工作站通过导线分别与所述第一导体和所述第二导体电路连接。
9、进一步的，所述电池壳体内配置有第一极片和第二极片，所述电池壳体上部的周向壁上设置有凸缘，所述第一极片搭设在所述凸缘上并与所述第一导体的底部抵接，所述第二极片位于所述电池壳体的底部并与所述第二导体的顶部相抵接，所述第一极片和所述第二极片之间充满电解液。
10、进一步的，所述第二导体顶部的边缘处周向设有环形凹槽，所述环形凹槽上配置有密封圈，用于密封所述第二导体与所述电池壳体之间的接合部。
11、进一步的，所述电池壳体的材质为peek。
12、进一步的，所述第一导体和所述第二导体的材质均为不锈钢。
13、根据采用上述联合ct-dems的水系电池原位检测装置的方法，所述方法包括以下步骤：
14、将待检测的电池置于原位检测单元的所述电池容纳腔内，并使待检测电池分别与所述第一导体和所述第二导体导通；通过所述电化学工作站使所述第一导体和所述第二导体导电，使待检测电池产生的气体流经所述可转动壳体和所述固定盖体并从所述第一开口排出至所述dems系统，以进行质谱分析；驱动所述可升降转动平台带动所述基座转动，并带动所述电池壳体和所述可转动壳体一起转动，而连接至dems系统的所述固定盖体保持静止状态，同时所述x线发生器发出x线辐射源穿透所述电池壳体并到达所述平板探测器，以获取待检测电池结构变化的ct图像。
15、本发明具有如下优点：
16、本发明的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，在原位工况条件下对充放电过程中的水系电池进行x射线计算机断层扫描成像(x-ray ct)表征，并与原位差分电化学质谱仪(dems)技术联用，以监测过程中的产气情况。在测试过程中，本装置可以适应对不同酸碱度的电解质的要求，在无损条件下对水系电池进行原位xct表征，并成功解决了xct表征中样品均一度对表征结果的影响。在测试过程中，通过可升降转动平台控制原位检测单元的旋转，带动基座、电池壳体和可转动壳体同步旋转，允许在不同的角度和位置对电池进行成像，以获得全面的电池结构变化情况。更重要的是，连接至dems系统的固定盖体在整个旋转过程中保持静止状态，确保了固定盖体不会随着可升降转动平台的旋转而移动，从而保证了产气能够顺畅通过dems系统进行连续且准确的监测。不仅提高了监测的效率，同时也增强了整个系统的机械稳定性，减少了因振动或移动导致的误差。
技术特征：
1.一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述第二开口内配置有轴承，所述固定盖体通过所述轴承与所述可转动壳体转动连接，所述固定盖体内部配置有第一流体通道，所述第一开口通过所述第一流体通道与所述第二开口连通，所述第一导体上具有贯通的第二流体通道，所述第二流体通道分别与所述第一流体通道和所述电池容纳腔流体连通。
3.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述基座的底部还配置有用于向所述第二导体传热或传冷的半导体，所述原位检测单元的外部配置有制热模块和制冷模块，所述半导体分别与所述制热模块和所述制冷模块电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述原位检测单元的检测温度为-60至120℃。
5.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述原位检测单元的外部配置有电化学工作站，所述电化学工作站通过导线分别与所述第一导体和所述第二导体电路连接。
6.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述电池壳体内配置有第一极片和第二极片，所述电池壳体上部的周向壁上设置有凸缘，所述第一极片搭设在所述凸缘上并与所述第一导体的底部抵接，所述第二极片位于所述电池壳体的底部并与所述第二导体的顶部相抵接，所述第一极片和所述第二极片之间充满电解液。
7.根据权利要求6所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述第二导体顶部的边缘处周向设有环形凹槽，所述环形凹槽上配置有密封圈，用于密封所述第二导体与所述电池壳体之间的接合部。
8.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述电池壳体的材质为peek。
9.根据权利要求1所述的一种联合ct-dems的水系电池原位检测装置，其特征在于，所述第一导体和所述第二导体的材质均为不锈钢。
10.根据采用上述权利要求中任一项所述的联合ct-dems的水系电池原位检测装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
技术总结
本发明涉及一种联合CT‑DEMS的水系电池原位检测装置及方法，包括：原位检测单元包括串联布置的固定盖体、可转动壳体、电池壳体和基座，固定盖体位于可转动壳体的上方且相对其转动，电池壳体分别与可转动壳体和基座可拆卸连接；CT成像单元包括X线发生器和平板探测器，X线发生器和平板探测器之间配置有可升降转动平台，原位检测单元位于可升降转动平台上，待检测电池产生的气体流经可转动壳体和固定盖体并通过第一开口排出至DEMS系统，同时可升降转动平台驱动基座转动并带动电池壳体和可转动壳体一起转动，而连接至DEMS系统的固定盖体保持静止状态，X线发生器发出的X线辐射源穿透转动的电池壳体并到达平板探测器，以将待检测电池的结构变化进行成像监测。
技术研发人员：杨纯臻,王滨,邓力庭,顾龙,雷烨琛
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5