一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置及系统

技术领域

本发明属于电池原位测试技术领域，具体涉及一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置及系统。

背景技术

电化学储能是效率最高的储能方式，锂离子电池以其能量密度高、充放电效率好、自放电率小、输出稳定、绿色环保等优势，已成为电化学储能的主流。随着科学技术的发展，锂离子电池的比能量获得了较大的提升，而电池的安全性和寿命已经成为其在储能系统中应用的重要挑战。要解决电池的安全和寿命问题，重点应该研究电池材料在全温域(高低温)以及滥用条件(过充)下，多尺度界面载流子的运输、电荷异相迁移规律机制、储能电池全生命周期失效演化与可靠性耦合作用机制以及电池热演变规律和热失控机理等关键科学问题。近年来，除了常规的SEM、TEM和XRD等表征手段外，中子检测也逐渐成为了表征电池材料的一大利器，原因在于中子具有零电荷、大穿透深度以及对Li敏感的特点，利用中子束对锂离子电池材料进行研究，能够原位无损地对电池材料本身以及材料界面反应过程进行分析。

通过研究温度和充放电对电池的正负极及其与电解质界面的结构演变、组成变化、锂离子迁移路径和锂枝晶生长行为的影响，可以帮助理解材料本征失效机理和材料与界面失效导致的电池失效行为。现有技术中，一般只能对电池材料进行离线表征，即在设定的高温或低温条件下对电池进行充电或者放电，然后对电池拆解进而开展后续表征。即使可以实现原位的表征，如原位XRD测试，也仅限于单一电池材料而非组装好的电池系统的表征。因此，亟待一种检测装置可对组装好的电池在温度变化及充放电情况下进行原位中子表征。

发明内容

本发明提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置，该装置可用于对组装好的电池在温度变化及充放电情况下进行原位中子表征。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置，包括：

接口装置，包括充放电接口和控温接口，充放电接口的第一端用于与具有充放电功能的电池测试电源电连接；控温接口第一端用于与加热电源电连接；

盖体，盖体上设置有电池接口、电池夹持件、测温装置及加热装置，电池接口的第一端用于与充放电接口的第二端电连接，电池接口的第二端用于与电池电连接；加热装置的第一端用于与控温接口的第二端电连接，加热装置的第二端与电池夹持件电连接；电池夹持件用于夹持电池并将加热装置产生的热量传导至电池；测温装置用于测试电池的温度；

以及电池仓装置，具有防爆腔体，防爆腔体用于容置电池，防爆腔体具有开口，防爆腔体的开口与盖体密封连接。

进一步地，电池变温充放电装置还包括样品架装置，样品架装置包括连接件和密封组件；连接件的一端穿设于密封组件上，另一端与盖体固定连接；

接口装置中的充放电接口和控温接口设置于密封组件上；

连接件具有缆线通道，缆线通道用于供连接充放电接口与电池接口的缆线以及连接控温接口与加热装置的缆线通过。

进一步地，密封组件包括密封盘、定位结构件、密封螺母和密封配件；定位结构件穿设于密封盘上，定位结构件具有贯通定位结构的空腔，空腔用于供连接件穿过；定位结构件位于密封盘的第二侧的部分，远离密封盘的一端与连接件之间形成密封腔，密封腔内设置有密封配件，密封配件环绕连接件设置，定位结构件背离密封腔的一侧具有螺纹，螺纹用于与密封螺母螺合，密封螺母与定位结构件上的螺纹螺合时，密封螺母挤压密封配件，以使密封配件密封连接件和定位结构件之间的缝隙。

进一步地，样品架装置还包括调整件，连接件自定位结构件的第一侧穿设至定位结构件的第二侧，连接件位于定位结构件的第二侧的部分，与调整件固定连接，调整件用于对连接件进行旋转调节和提拉调节，以调整待测电池的角度和轴向位置。

进一步地，密封螺母背离密封盘的一侧具有第一刻度，第一刻度用于确定调整件的旋转角度，连接件位于密封组件第二侧的部分具有第二刻度，第二刻度用于确定连接件的轴向位置。

根据第二方面，一种实施例中提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电系统，包括第一方面的电池变温充放电装置；

还包括恒温器，恒温器包括基体和制冷件；基体具有冷却腔体和与冷却腔体连通的入口，电池变温充放电装置通过入口伸入冷却腔体中，且电池变温充放电装置通过密封盘与入口密封连接；制冷件连接于基体，制冷件用于为冷却腔体中的电池变温充放电装置提供冷源。

本发明提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置，该装置包括接口装置、盖体和电池仓装置，接口装置上的充放电接口通过将具有充放电功能的电池测试电源与电池接口连接，进而对电池进行充放电，为电池在充放电情况下进行原位中子表征提供了条件。控温接口将加热电源与盖体上的加热装置连接，加热装置通过对电池夹持件进行加热，电池夹持件再将热量传导给电池，即可以达到在温度变化的情况下对电池的特性进行原位中子表征。因此，本发明的装置可以对组装好的电池在温度变化及充放电情况下进行原位中子表征。

附图说明

图1为本发明实施例中的电池变温充放电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的密封组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中的密封组件的截面示意图；

图4为本发明实施例中的电池仓装置及盖体的组装结构示意图；

图5为本发明实施例中的电池夹持件的结构示意图；

图6为本发明实施例中的第三法兰的结构示意图；

图7为本发明实施例中的电池变温充放电系统的结构示意图。

附图标记：电池变温充放电装置-100，接口装置-110，充放电接口-111，控温接口-112；盖体-120，电池接口-121，电池夹持件-122；电池仓装置-130，防爆腔体-131；样品架装置-140，连接件-141，缆线通道-1411，第一缆线口-14111，第二缆线口-14112，第一连接法兰-1412，第二连接法兰-1413，密封组件-142，密封盘-1421，定位结构件-1422，密封螺母-1423，定位螺母-1424，密封套环-1425，密封橡胶圈-1426，143-调整件，隔热片-144，第三连接法兰-150,密封铅丝-151；恒温器-200，基体-210，冷却腔体-211，入口-212，控制阀门-213，制冷件-220，一级冷头-221，二级冷头-222，一级传冷片-223，二级传冷片-224。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本发明实施例提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置100，主要为电池材料的中子散射实验提供充放电和高低温相耦合环境，请参考图1-6，包括接口装置110、盖体120以及电池仓装置130。

请参考图1，接口装置110包括充放电接口111和控温接口112，充放电接口111的第一端用于与具有充放电功能的电池测试电源电连接，控温接口112的第一端用于与加热电源电连接。盖体120上设置有电池接口121、电池夹持件122、测温装置(未示出)及加热装置(未示出)，电池接口121的第一端用于与充放电接口111的第二端电连接，电池接口121的第二端用于与电池电连接。加热装置的第一端用于与控温接口112的第二端电连接，加热装置的第二端与电池夹持件122电连接，电池夹持件122用于夹持电池并将加热装置产生的热量传导至电池。测温装置用于测试电池的温度。电池仓装置130具有防爆腔体131，防爆腔体131用于容置电池，防爆腔体131具有开口，防爆腔体131的开口与盖体120密封连接，且防爆腔体131与盖体120可拆卸连接。电池仓装置130与盖体120密封后可构成安全测试空间，在电池发生热失控爆炸时，可以限制电池碎片的逃逸，保护恒温器系统及中子源谱仪。具体地，电池仓装置130的材料为Ti

本发明中的测温装置包括加热棒，控温接口112包括十针航空插口，测温装置与加热装置电连接，以便传输温度信息，例如测温装置和加热装置之间可以通过传感器实现连接。测温装置通过检测电池样品的温度并将检测到的温度发送至传感器，传感器将检测温度与预设温度进行比较，当检测到的温度低于预设温度时，提高盖体120上的加热装置的功率，以提高电池样品的温度；当检测到的温度高于预设温度时，降低盖体120上中加热装置的功率，以降低电池样品的温度，实现电池的精准控温。

本发明提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置100，该装置100包括接口装置110、盖体120和电池仓装置130，接口装置110上的充放电接口111通过将具有充放电功能的电池测试电源与电池接口121连接，进而对电池进行充放电，为电池在充放电情况下进行表征提供了条件。控温接口112将加热电源与盖体120上的加热装置连接，加热装置通过对电池夹持件122进行加热，电池夹持件122再将热量传导给电池，可以达到为电池加热的目的，即可以达到在温度变化的情况下对电池的特性进行表征。因此，本发明的装置可以对组装好的电池在温度变化及充放电情况下进行原位中子表征。

本发明的一种实施例中，请参考图1-3，电池变温充放电装置100还包括样品架装置140，样品架装置140包括连接件141和密封组件142。连接件141为不锈钢材质。连接件141的一端穿设于密封组件142上，另一端与盖体120固定连接。接口装置110中的充放电接口111和控温接口112通过密封法兰固定于密封组件142上。连接件141具有缆线通道1411，缆线通道1411用于供连接充放电接口111与电池接口121的缆线以及连接控温接口112与加热装置的缆线通过。

请参考图3，密封组件142包括密封盘1421、定位结构件1422、密封螺母1423、定位螺母(未示出)、密封套环1424和密封橡胶圈1425。定位结构件1422穿设于密封盘1421上，定位结构件1422具有贯通定位结构1422的空腔，空腔用于供连接件141穿过，且连接件141与定位结构件1422的空腔内壁贴合设置，定位螺母(未示出)用于将定位结构件1422固定在密封盘1421上。定位结构件1422位于密封盘1421的第二侧的部分，远离密封盘1421的一端与连接件141之间形成密封腔，密封腔内设置有密封套环1424和密封橡胶圈1425，密封套环1424和密封橡胶圈1425环绕连接件141设置，且密封套环1424与密封橡胶圈1425沿从密封盘1421的第一侧向第二侧的方向层叠设置，密封橡胶圈1425靠近密封盘1421设置，密封套环1424远离密封盘1421设置，定位结构件1422背离密封腔的一侧具有螺纹，螺纹用于与密封螺母1423螺合。定位结构件1422的密封腔在远离密封盘1421的一侧具有开口，密封套环1424在密封腔中伸出于所述开口，以便密封螺母1423与定位结构件1422上的螺纹螺合时，密封螺母1423带动密封套环1424向靠近密封盘1421的方向运动，以使得密封套环1424对密封橡胶圈1425施加作用力，从而使密封橡胶圈1425密封连接件141和定位结构件1422之间的缝隙，从而实现对密封组件142与连接件141之间的密封。其中，密封盘1421、定位结构件1422、密封螺母1423、定位螺母以及密封套环1424均使用不锈钢制备。

将定位结构件1422固定于密封盘1421上，连接件141与定位结构件1422的内壁贴合设置，可保证连接件141旋转和提拉的时候不会带动定位结构件1422旋转。

在本发明的一种实施例中，请参考图1-3，样品架装置140还包括调整件143，调整件143为不锈钢材质，连接件141自定位结构件1422的第一侧穿设至定位结构件1422的第二侧，连接件141位于定位结构件1422的第二侧的部分，与调整件143固定连接，调整件143用于对连接件141进行旋转调节以调整待测电池的角度，调整件143还用于对连接件141进行提拉调节以调整待测电池的轴向位置，从而使得待测电池的高度和角度匹配中子束，提高实验效率并提高实验结果的精度。具体地，通过旋转调整件143可以使得连接件141相对定位结构件1422旋转，或者，通过提拉调整件143可以使得连接件141相对定位结构件1422在轴向的位置发生变化。

在本发明的一种实施例中，请参考图2，，密封螺母1423背离密封盘1421的一侧具有第一刻度，第一刻度用于确定调整件143的旋转角度，连接件141位于密封组件142第二侧的部分具有第二刻度，第二刻度用于确定连接件141的轴向位置。

请参考图1，连接件141上的缆线通道1411上靠近密封组件142的一端具有第一缆线口14111，第一缆线口14111用于供缆线自接口装置110接入缆线通道1411，缆线通道1411上靠近盖体120的一端具有第二缆线口14112；第二缆线口14112用于供缆线自缆线通道1411接入电池接口121和加热装置。连接件141位于密封组件142的第一侧的部分，远离密封组件142的一端连接有第一连接法兰1412和第二连接法兰1413，第一连接法兰1412和第二连接法兰1413沿从密封组件142向盖体120的方向依序设置，第一连接法兰1412通过螺栓与第二连接法兰1413连接，第二连接法兰1413与盖体120连接。第一连接法兰1412为钢制材料，第二连接法兰1413为无氧铜材质，盖体120的材料为无氧铜。

本发明的一种实施例中，请参考图1，连接件141的外侧壁上还固定设置有隔热片144，隔热片144用于减少连接件141设有密封组件142的一端对电池仓装置130的热辐射。隔热片144上设置有用于供气体流通的孔洞1441；隔热片144为不锈钢材料。在本发明的实施例中，隔热片144通过螺丝顶紧固定于连接件141上，隔热片144上的孔洞1441用于供导热氦气流通。

请参考图5，电池夹持件122包括固定滑槽(未示出)、固定螺母(未示出)、第一固定板1221和第二固定板1222；第一固定板1221和第二固定板1222均具有固定端和夹持端，电池夹持件122为夹持状态时，第一固定板1221和第二固定板1222相对设置，固定滑槽用于供第一固定板1221和第二固定板1222的固定端滑动调节，以使第一固定板1221和第二固定板1222夹持待测电池；固定螺母用于将第一固定板1221和第二固定板1222固定在固定滑槽上。固定滑槽的第一侧与盖体120固定连接，第二侧用于与第一固定板1221和第二固定板1222连接。

电池夹持件122采用固定滑槽的设计来任意移动第一固定板1221和第二固定板1222，方便对不同尺寸的电池进行夹持。

请参考图6，电池仓装置130具有开口的一端与第三连接法兰150连接，第三连接法兰150上具有密封槽，密封槽中设置有密封铅丝151，密封铅丝151用于密封盖体120与电池仓装置130的配合位置。

本发明的实施例还提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电系统，请参考图7，该系统包括前述用于中子原位检测的电池变温充放电装置100，还包括恒温器200，恒温器200包括基体210和制冷件220；基体210具有冷却腔体211和与冷却腔体211连通的入口212，电池变温充放电装置100通过入口212伸入冷却腔体211中，且电池变温充放电装置100通过密封盘1421与入口212密封连接，密封盘1421与恒温器200通过法兰连接，实现密封；制冷件220连接于基体210，制冷件220用于为冷却腔体211中的电池变温充放电装置100提供冷源。在本发明中，制冷件220包括制冷机，制冷件220包括一级冷头221、二级冷头222、一级传冷片223和二级传冷片224。一级传冷片223的一端与一级冷头221连接，另一端与冷却腔体211连接，以将一级冷头221的热量传递至冷却腔体211；二级传冷片224的一端与二级冷头222连接，另一端与冷却腔体211连接，以将二级冷头222的热量传递至冷却腔体211。由于中子源谱仪需要在真空状态下使用，所以本发明通过具有传导温度功能的传冷片和加热装置对电池进行精准控温，如若没有传递温度的导通介质，而是靠热辐射传递热量，那么加热装置的温度需要达到上千度，制冷件的功率也需大到无法实现。恒温器200还包括控制阀门213，控制阀门213用于外接抽真空装置或者装有导热气体的装置。在发明的实施例中，通过提供一种用于中子原位检测的电池变温充放电装置配合恒温器，可实现电池在-50℃-200℃温度范围内进行充放电，进而实现电池的原位中子检测。

本发明中的电池变温充放电装置100的隔热片144的周侧与冷却腔体211的侧壁贴合设置，一方面有利于一级传冷片223和二级传冷片224将热量传递至电池变温充放电装置100中的电池上，另一方面有利于节省冷却腔体211的空间。由于冷却腔体211的空间越大，抽真空所需要耗费的时间越长，而中子源机时非常紧张，所以尽量节省冷却腔体211内的空间，本发明中只需要充放冷却腔体211中的氦气即可实现电池变温充放电装置的插拔。

本发明提供的用于中子原位检测的电池变温充放电系统，通过电池测试电源对电池进行充放电，通过加热装置配合恒温器200对电池进行精准控温，从而实现了充放电和高低温耦合的中子散射实验条件，并利用了钛锆合金中子相干散射长度为零以及高强度的特性，避免了干扰信号的产生同时也预防了电池在极端测试环境中爆炸造成的谱仪损坏，进而提高实验结果的准确性和安全性。

本发明提供的电池变温充放电系统的工作过程如下：

第一，将电池仓装置130与盖体120拆卸，使用电池夹持件122将电池固定在盖体120上，将电池的极耳与电池接口121连接，密封电池仓装置130和盖体120。

第二，将电池变温充放电装置100插入至恒温器200中，密封盘1421通过法兰与基体210的入口212密封，通过控制阀门213外接抽真空装置，启动抽真空装置并打开控制阀门213，对冷却腔体211抽真空，达到所需真空度后关闭控制阀门，并拆除抽真空装置。通过控制阀门外接氦气，打开控制阀门缓慢通入氦气，直至达到所需压力。

第三，开启制冷件220和加热装置，通过盖体120上的测温装置测定温度，并通过与预设温度调节加热装置的加热功率，使其达到满足进行中子测试所需的温度。

第四，充放电接口111与电池测试电源连接，按照预设的充放电程序为电池进行充放电，以满足中子测试实验所需的电池样品充放电要求。

第五，开启束流装置，向电池仓装置130中的电池提供中子束以进行中子散射实验。待实验结束后，打开控制阀门213，将导热氦气排出，并关闭加热装置，将电池变温充放电装置100拔出，取出电池，完成实验。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。