CN116046752A - 一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能器件产气检测技术领域，具体涉及一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置。为了能够定性定量检测储能器件的所产生的气体，本装置包括：固定盖板设置于储能器件外壳顶部，固定盖板的右侧有一凹槽使其与外壳顶部完全贴合；固定套筒用于固定储能器件的支架，并与固定盖板紧密对接；气体传输通道设置于固定套筒右端且结构是V型拐角；气体收集及检测单元通过气体传输通道与储能器件的内部连通，以用于收集气体的腔室，腔室的上下端分别设置有光学窗口用于气体的无损拉曼检测，此外，腔室的侧壁额外设有进气口和出气口，可使用气相色谱仪深入分析收集气体的成分。

Description

一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置

技术领域

本发明属于储能器件产气检测技术领域，具体涉及一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置。

背景技术

近些年来，随着环境问题日益突出，石油、煤炭等化石能源日趋紧张，而太阳能和风能等一些可再生能源来源广泛且成本较低。在发电领域，使用太阳能光伏和风力发电具有低成本、无污染等优点，但在我国电力行业快速发展的同时，它们均具有随机性、波动性和间歇性等缺点，使得负荷侧功率呈现动态变化且难以预测，源荷的不确定性会给电网的管理与安全运行带来巨大挑战。此外，源荷不匹配问题会导致输出电压和电流波动，进而影响电网正常运行及负荷侧设备的寿命和稳定性。所以，电力调频显得极其重要，而储能电源的应用可以有效地改善电能质量、削峰填谷及平抑电压电流的波动。

目前，电网中所使用储能电源的种类较多，包括通用型的锂离子电池和新型的超级电容器，它们常处于长期浮充、温度波动宽、维保难度大等复杂的服役工况，往往会加速其失效，导致实际使用寿命大幅降低，从而产生极高的维护成本和安全隐患。然而造成电源失效的原因主要是电极材料或电解液的化学/电化学分解产生大量的气体，不断积累，使得内部压力超过安全结构上限，导致外壳发生爆破，造成电解液泄露，进而出现腐蚀电路板或短路等一系列问题。因此，分析电源在工作过程中所产生气体的成分，有利于提高其可靠性和使用寿命。

在现有产气研究的技术中，专利(201711375679.2)公开了一种用于电池的气体采集装置，定位后通过微型电钻对方型电池外壳进行钻孔取气，气体采集装置连接抽真空装置，有效地避免了采集气体时其他气体的掺入。虽然上述方法高效地收集电池内产生的气体，保证了气体的纯度，但该方法是靠采集人员的手感对电池钻孔，并不能控制钻孔程度，所以内部电芯结构可能会被破坏。而且采集后的电池外壳被破坏，采集结束的电池取出时内部会与空气接触，无法再次进行电化学测试。同时，各种储能器件的产气分析受到众多科研人员的关注。韩国首尔中央大学YoonSonghun教授团队提出一种原位收集气体的装置并通过拉曼光谱仪无损定性定量分析了圆柱型储能器件(锂离子电池和超级电容器)工作过程中所产生的气体(JIndEngChem96(2021)339-344；ElectrochimicaActa219(2016)447-452)。但是，该装置也存在不足之处：仅适用于圆柱型电池，不具有普适性；电池的开孔处容易使内部的电解液流入集气通道；当气体种类复杂且含量较少时，拉曼信号较弱导致分析结果不准确。因此，原位且精确地定性和定量分析储能器件在工作过程中产生的气体，有利于研究产生的气体和导致储能器件失效的原因，为提高其可靠性和使用寿命提供科学依据。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种结构简单、操作便捷的在线气体收集及检测装置，通过储能器件底部的出气孔在线收集气体并检测，可定性定量分析所产生的气体。

本发明的另一个目的是为了保护内部电芯的结构，在组装储能器件前已在钢壳、铝壳或铝塑复合膜的底部留有出气孔，从而收集产生的气体并进行检测。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，包括储能器件、固定盖板、固定套筒、气体收集及检测单元；

所述固定盖板设置于储能器件的外壳顶部，所述固定盖板的一侧设有凹槽使其与储能器件的外壳顶部处完全贴合，中心镂空，用于露出储能器件的正负极；

所述固定套筒设置于储能器件的四周并且内部紧密贴合，所述固定套筒的一侧与固定盖板的另一侧紧密对接；所述固定盖板和固定套筒的尺寸可变，目的是匹配所述储能器件的形状和型号；

所述气体收集及检测单元包括气体传输通道和气体收集腔室，所述储能器件的外壳底部设置有出气孔，所述气体传输通道设置于固定套筒的另一侧，所述出气孔与气体传输通道的进口处完全贴合，所述气体传输通道的进口处设有密封垫圈，其结构是V型拐角，用于存储储能器件泄露的电解液，所述气体收集腔室为中空圆柱型结构，通过气体传输通道与储能器件的内部连通，以用于收集产生的气体，所述气体收集腔室的上下端分别设置有光学窗口，用于气体的无损拉曼检测。

进一步，所述储能器件由钢壳、铝壳或者铝塑复合膜密封包裹。

进一步，所述储能器件为电池或超级电容器，电池可为锂离子电池。

进一步，所述储能器件为圆柱型、方型或软包型。

进一步，所述储能器件为圆柱型或方型时，所述出气孔位于储能器件水平放置后底端的中心偏上，以防止储能器件水平放置时电解液泄露。

所述储能器件为软包型时，所述出气孔和气体传输通道之间设置有气体转接口，所述气体转接口包括气管和快插气动接头，所述出气孔处设有单向气阀，所述单向气阀通过气管与快插气动接头连接。

更进一步，所述气管的材质为耐高温、耐腐蚀的材质，如PU气管。

进一步，所述气体收集及检测单元的主体采用耐高温、耐腐蚀且绝缘的材质，如聚醚醚酮；所述固定盖板、固定套筒、气体收集及检测单元使用长螺钉连接。

进一步，所述气体收集腔室的侧壁设置有进气口和出气口，使用惰性气体(氩气、氦气等)作为载气，将所述气体通入气相色谱仪进一步分析气体成分。

更进一步，所述进气口和出气口均设有阀门。

进一步，所述密封垫圈为耐高温、耐腐蚀的氟胶O型密封圈，所述光学窗口采用光学石英/蓝宝石玻璃，所述光学窗口的上下接触面均设有密封垫圈。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)本发明的在线气体收集及检测装置的结构简单，成本较低，拆卸方便快捷，可在手套箱中对储能器件注液封口后直接组装。采用耐高温、耐腐蚀材质，可在高温、产生腐蚀性气体等苛刻条件下工作，且气体收集及检测单元具有较好的耐压能力。

(2)组装前已在储能器件的底部留出气孔，有效地保证了内部电芯结构的完整性，从而可在线分析不同工作阶段的产气情况。

(3)本发明装置的气体传输通道设计为V型拐角，可用于存储泄露的电解液，防止其流入气体收集的腔室，影响测试结果。

(4)本发明装置的侧壁设置额外设有进气口和出气口，可使用惰性气体(氩气、氦气等)作为载气，置换出内部的初始气体，将收集及检测单元内部的惰性气体作为初始空白样品进行检测，排除初始气体的影响，然后将所收集的气体通入气相色谱仪进行进一步分析检测。

(5)本发明装置可配套多种类型储能器件，具有普适性。

附图说明

下面将对本发明的实施例中所使用的附图进行介绍，描述中的附图仅用于解释本发明的一些实施例。本领域技术人员应理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明在线气体收集及检测装置的俯视图；

图2是本发明在线气体收集及检测装置配套圆柱型电池的A-A剖视图；

图3是本发明在线气体收集及检测装置配套方型电池的A-A剖视图；

图4是本发明在线气体收集及检测装置配套软包型电池的A-A剖视图；

附图标记：1-储能器件；11-圆柱型电池；12-方型电池；13-软包型电池；14-出气孔；15-单向气阀；2-固定盖板；3-固定套筒；4-长螺钉；5-气体收集及检测单元；51-气体传输通道；52-气体收集腔室；53-不锈钢盖板；54-内六角螺钉；55-光学窗口；56-进气口；57-第一阀门；58-出气口；59-第二阀门；6-气体转接口；61-快插气动接头；62-气管。

具体实施方式

为清晰说明本发明所解决的技术问题、技术方案及有益技术效果，以下结合附图及实施例，对其进一步阐述。

需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“底”、“顶”、“水平”等表示的方位或位置关系给予附图中的方位或位置关系，并不是指示或暗示装置或配件所处的特定方位，仅仅是为了便于描述本发明装置，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1至4所示，一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，包括储能器件1、固定盖板2、固定套筒3、气体收集及检测单元5；

所述储能器件1由钢壳、铝壳或者铝塑复合膜密封包裹，在储能器件1的外壳底部设置有出气孔14，储能器件1为电池或超级电容器，储能器件1为圆柱型、方型或软包型，当储能器件1为圆柱型电池11或方型电池12时，所述出气孔14位于电池水平放置后底端的中心偏上，以防止电池水平放置时电解液泄露；当储能器件1为软包型电池13时，所述出气孔14和气体传输通道51之间设置有气体转接口6，气体转接口6的主体是一个腔室(耐高温、耐腐蚀且绝缘的材质)，里面设置有气管62和快插气动接头61，所述出气孔14通过气管62与快插气动接头61连接，储能器件1释放的气体依次经过出气孔14、气管62、快插气动接头61进入气体传输通道51，所述出气孔14处设有单向气阀15，所述气管62的材质为耐高温、耐腐蚀的材质，如PU气管。

所述固定盖板2设置于储能器件1的外壳顶部，所述固定盖板2的一侧设有凹槽使其与储能器件1的外壳顶部处完全贴合，中心镂空，用于露出储能器件1的正负极；

所述固定套筒3设置于储能器件1的四周并且内部紧密贴合，所述固定套筒3的一侧与固定盖板2的一侧紧密对接，固定盖板2和固定套筒3均可调节，匹配储能器件1的形状和型号。

所述气体收集及检测单元5包括气体传输通道51和气体收集腔室52，所述气体传输通道51设置于固定套筒3的另一侧，所述出气孔14和与气体传输通道51的进口处完全贴合，所述气体传输通道51的进口处设有密封垫圈，气体传输通道51的结构是V型拐角，用于存储储能器件1泄露的电解液。所述气体收集腔室52为中空圆柱型结构，通过气体传输通道51与储能器件1的内部连通，以用于收集产生的气体，所述气体收集腔室52的上下端分别设置有光学窗口55，用于气体的无损拉曼检测。所述气体收集腔室52的侧壁设置有进气口56和出气口58，使用惰性气体(氩气、氦气等)作为载气，将所述气体通入气相色谱仪进一步分析气体成分，进气口56和出气口58分别设有第一阀门57和第二阀门59。

所述在线气体收集及检测装置的主体(包括固定盖板2、固定套筒3、气体收集及检测单元5、气体转接口6等)采用耐高温、耐腐蚀且绝缘的材质，如聚醚醚酮。所述密封垫圈为耐高温、耐腐蚀的氟胶O型密封圈。在所述气体收集及检测单元5的主体上使用内六角螺钉54固定有不锈钢盖板53，所述光学窗口55放置在不锈钢盖板53下，使其位于气体收集腔室52的上下端，所述光学窗口55采用光学石英/蓝宝石玻璃，所述光学窗口55的上下接触面均设有密封垫圈。

所述固定盖板2、固定套筒3、气体收集及检测单元5使用长螺钉4连接，以使出气孔14完全贴合气体传输通道51的进口。

实施例2

如图2所示，本发明的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其中储能器件1为圆柱型电池11，使用方法如下：

1.使用内六角螺钉54将不锈钢盖板53固定在气体收集及检测单元5的主体上，光学窗口55固定在不锈钢盖板53下，且光学窗口55的上下接触面均放置有氟胶O型密封圈，目的是保证气密性和保护光学玻璃窗口。

2.将圆柱型电池11安装在固定套筒3里，同时使用长螺钉4将其与可调节的固定盖板2、气体收集及检测装置5紧密连接在一起。

3.将气体收集及检测单元5侧壁的进气口56和出气口58处的第一阀门57、第二阀门59均关闭。

4.由于圆柱型电池11底部留有出气孔14，为防止内部与空气接触，即上述组装程序在惰性氛围的手套箱中进行。

5.然后从手套箱中取出组装完成的装置，使用惰性气体(氩气、氦气等)连接进气口56置换出气体收集腔室52中的初始气体，操作中先打开第一阀门57，再打开第二阀门59，待置换完成后，先关闭第二阀门59，再关闭第一阀门57。

6.组装和气体置换完成后，将其放置在室/高温下进行电化学测试，气体收集腔室52收集测试过程中产生的气体，期间可通过光学窗口55观察是否有电解液倒流以及进行原位/离线拉曼光谱分析所产生气体的成分。

7.将进气口56连接惰性气体(氩气、氦气等)，出气口58连接气相色谱仪，将第一阀门57和第二阀门59打开，通过气相色谱仪深入分析所产生的气体成分。

实施例3

如图3所示，本发明的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其中储能器件1为方型电池12，具体使用方法如下：

1.使用内六角螺钉54将不锈钢盖板53固定在气体收集及检测单元5的主体上，光学窗口55固定在不锈钢盖板53下，且光学窗口55的上下接触面均放置有氟胶O型密封圈，目的是保证气密性和保护光学玻璃窗口。

2.将方型电池12安装在固定套筒3里，同时使用螺钉4将其与可调节的固定盖板2、气体收集及检测装置5紧密连接在一起。

3.将气体收集及检测单元5侧壁的进气口56和出气口58处的第一阀门57和第二阀门59均关闭。

4.由于方型电池12底部留有出气孔14，为防止内部与空气接触，即上述组装程序在惰性氛围的手套箱中进行。

5.然后从手套箱中取出组装完成的装置，使用惰性气体(氩气、氦气等)连接进气口56置换出腔室52中的初始气体，操作中先打开第一阀门57，再打开第二阀门59，待置换完成后，先关闭第二阀门59，再关闭第一阀门57。

6.组装和气体置换完成后，将其放置在室/高温下进行电化学测试，气体收集腔室52收集测试过程中产生的气体，同时可通过光学窗口55观察是否有电解液倒流以及进行原位/离线拉曼光谱分析所产生气体的成分。

7.将进气口56连接惰性气体(氩气、氦气等)，出气口58连接气相色谱仪，将第一阀门57、第二阀门59打开，通过气相色谱仪深入分析所产生的气体成分。

实施例4

如图4所示，本发明的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其中储能器件1为软包型电池13，在气体传输通道51与出气孔14之间添加一个气体转接口6，具体使用方法如下：

1.软包型电池13组装过程时，在其底端的铝塑复合膜外壳处留有出气孔14，并安装一个单向气阀15。

2.使用气管62将单向气阀15与气体转接口6中的快插气动接头61进行气密性连接，同时气体转接头61的出气口处与气体传输通道51的进气口气密性对接。

3.使用内六角螺钉54将不锈钢盖板53固定在气体收集及检测单元5的主体上，光学窗口55固定在不锈钢盖板53下，且光学窗口55的上下接触面均放置有氟胶O型密封圈，目的是保证气密性和保护光学玻璃窗口。

4.将软包型电池13安装在固定套筒3里，同时使用螺钉4将其与可调节的固定盖板2、气体转接口6、气体收集及检测单元5紧密连接在一起。

5.将气体收集及检测单元5侧壁的进气口56和出气口58处的第一阀门57和第二阀门59均关闭。

6.由于软包型电池13底部留有出气孔14，为防止内部与空气接触，即上述组装程序在惰性氛围的手套箱中进行。

7.然后从手套箱中取出组装完成的装置，使用惰性气体(氩气、氦气等)连接进气口56置换出腔室52中的初始气体，操作中先打开第一阀门57，再打开第二阀门59，待置换完成后，先关闭第二阀门59，再关闭第一阀门57。

8.组装和气体置换完成后，将其放置在室/高温下进行电化学测试，气体收集腔室52收集测试过程中产生的气体，同时可通过光学窗口55观察是否有电解液倒流以及进行原位/离线拉曼光谱分析所产生气体的成分。

9.将进气口56连接惰性气体(氩气、氦气等)，出气口58连接气相色谱仪，将第一阀门57和第二阀门59打开，通过气相色谱仪深入分析所产生的气体成分。

以上所述的具体实施例均是对本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果的进一步说明，应理解为所述实施例仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于具体实施方式。对于本领域的技术人员来讲，在不脱离本发明原则和精神的情况下做出改进和修改等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，包括储能器件、固定盖板、固定套筒、气体收集及检测单元；

所述固定盖板设置于储能器件的外壳顶部，所述固定盖板的一侧设有凹槽使其与储能器件的外壳顶部处完全贴合，中心镂空，用于露出储能器件的正负极；

所述固定套筒设置于储能器件的四周并且内部紧密贴合，所述固定套筒的一侧与固定盖板的一侧紧密对接；

所述气体收集及检测单元包括气体传输通道和气体收集腔室，所述储能器件的外壳底部设置有出气孔，所述气体传输通道设置于固定套筒的另一侧，所述出气孔与气体传输通道的进口处完全贴合，所述气体传输通道的进口处设有密封垫圈，其结构是V型拐角，用于存储储能器件泄露的电解液，所述气体收集腔室为中空圆柱型结构，通过气体传输通道与储能器件的内部连通，以用于收集产生的气体，所述气体收集腔室的上下端分别设置有光学窗口，用于气体的无损拉曼检测。

2.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述储能器件由钢壳、铝壳或者铝塑复合膜密封包裹。

3.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述储能器件为电池或超级电容器。

4.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述储能器件为圆柱型、方型或软包型。

5.根据权利要求4所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述储能器件为圆柱型或方型时，所述出气孔位于储能器件水平放置后底端的中心偏上，以防止储能器件水平放置时电解液泄露。

6.根据权利要求4所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述储能器件为软包型时，所述出气孔和气体传输通道之间设置有气体转接口，所述气体转接口包括气管和快插气动接头，所述出气孔处设有单向气阀，所述单向气阀通过气管与快插气动接头连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述气管的材质为耐高温、耐腐蚀的材质。

8.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述装置的主体采用耐高温、耐腐蚀且绝缘的材质，所述固定盖板、固定套筒、气体收集及检测单元使用长螺钉连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述气体收集腔室的侧壁设置有进气口和出气口，使用惰性气体作为载气，将收集的气体通入气相色谱仪进一步分析气体成分，所述进气口和出气口均设有阀门。

10.根据权利要求1所述的一种用于储能器件的在线气体收集及检测装置，其特征在于，所述密封垫圈为耐高温、耐腐蚀的氟胶O型密封圈，所述光学窗口采用光学石英/蓝宝石玻璃，所述光学窗口的上下接触面均设有密封垫圈。

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