[发明专利]一种电化学-气质联用分析电池产气成分的装置和方法

说明书

本发明涉及一种电化学‑气质联用分析电池产气成分的装置和方法，属于电池产气分析领域，其特征在于，包括载气单元、进样控制单元、电化学控制单元、电池盒富集单元以及数据采集和分析单元。通过载气供气单元对气路、接口和气体流量的控制；进样控制单元主要通过电磁阀和编程逻辑控制器PLC对进样进行控制；采用电化学工作站可对电池盒工作过程中的电压、电流、电池容量、时间控制等电信号控制；通过气相色谱和质谱联用对电池盒产生的气体进行分离和对气体进行定性和定量分析。本发明能够便捷收集和分析锂离子电芯在化成、过充过放以及短路等各种情况下产生的气体种，从而实现对锂离子电池产生气体成分及含量和反应机理进行有效分析。

技术领域

本发明涉及电池产气分析领域，具体涉及一种用于研究锂离子电池内部产生气体的电化学-气质联用分析电池产气成分的装置和方法。

背景技术

随着人们对电池能量密度和安全性越来越高的需求，锂离子二次电池由于其能量密度高、循环寿命长、开路电压高等优点受到了广泛关注。在锂离子电池实际工作中，伴随上述可逆主反应，电解液与电极材料亦会发生诸多不可逆的副反应，其中最主要的是固态电解质界面膜(包含正极和负极固态电解质界面膜)。不稳定的固态电解质界面膜(SEI)通常反复破裂与重复生长，使得电解质和电极材料持续发生不可逆反应，产生大量可燃性气体。这种情况会造成电池内部压力增加、电池胀气、电极活性物质的脱落、失火和爆炸等，致使电池存在极大的安全隐患。锂离子电池在进行首次充放电过程中，负极SEI膜的形成主要来自于有机溶剂电解液的还原分解，并伴随大量的气体产生。当电池过充电时，电池电压随着极化增大而迅速上升，从而引起电解液的氧化分解以及正极材料的分解反应，生成大量气体。同时在充放电过程中，微量杂质尤其是水分的存在也有很大影响，水在充电过程中会发生分解反应生成氢气，并且也会与六氟磷酸锂发生反应生成氢氟酸，造成对SEI膜的破坏，导致气体的产生。在满充电态的锂离子电池中，电解液在电极材料表面的稳定性及电解液自身的稳定性下降，长期循环过程中会有气体产生。因此，研究锂离子电池中气体的产生行为和机理对于提高高电压型锂离子电池的安全性以及电化学性能的调控和工艺改进至关重要。

锂电池中电化学反应的气体或中间产物的分析技术主要有电化学谱学联用技术，电化学质谱分析结果直观、可靠，而且可以实时分析电化学反应的气态生成物产生/反应物的消耗变化情况，进而可以推断电化学反应机理及动力学参数。这些优点使得电化学质谱成为一种非常有效的分析方法。现阶段对锂离子电池胀气成分的分析还处于传统的离线抽取气体而后进行表征的手段，该分析方法具有以下几个方面的缺点：首先，很难对气体析出时的电极电位进行标定；其次，对于产生气体的具体来源无法确定；然后，对于不同阶段气体产生的体积无法进行定量及分析比较。相较于离线表征手段的不足之处，在线气相色谱-质谱联用分析则可以很好地对以上缺点进行弥补。

专利CN107727756A采用原位气相色谱测量锂离子电池内部产生的气体的方法，但是由于测试过程受诸多操作条件的影响，如升温速率、温度、载气流量和反应气氛等；因此，反应过程的成分是未知物很难通过气相色谱的保留时间进行准确的确定其他的成分。质谱法通过分析样品的相应的同位素谱、质荷比(m/z)和信号的强度而对被分析物进行定性和定量分析,可以直观地获取被分析物的元素组成和结构信息,同时为整个反应过程中物质的动态变化过程为准确推导其电化学反应机理提供可靠的参考数据。气相色谱-质谱联用技术(气质联用)综合了色谱法和质谱法的优点，相对于微分电化学-质谱对气体不做有效的分离而直接通过质谱检测，气质联用可以先通过气相色谱柱对气体进行有效分离，然后采用质谱进行成分确定结果更加有效可靠。

有鉴于此，本发明旨在提供原位电化学-气质联用的测定电池产生气体成分的装置和分析方法，其可以便捷地收集和分析锂离子电芯在化成、过充过放、短路等各种情况下产生的气体，从而实现对锂离子电池产生气体成分及含量的和反应机理进行有效分析以便工艺生产的调控与产品质量的提高。

发明内容