基于拉曼探头的电池充放电产气原位测试装置的制作方法

本技术涉及拉曼光谱气体分析，尤其是涉及一种基于拉曼探头的电池充放电产气原位测试装置。

背景技术：

1、目前，锂离子电池作为能源清洁化的重要组成部分以其能量密度高、循环性能好、环境污染低等特点在储能领域、便携式电子产品以及大型动力电源领域中的占比逐年提高，全球对于锂离子电池的需求量逐年上升。

2、目前，锂离子电池作为能源清洁化的重要组成部分以其能量密度高、循环性能好、环境污染低等特点在储能领域、便携式电子产品以及大型动力电源领域中的占比逐年提高，全球对于锂离子电池的需求量逐年上升。

3、锂离子电池在进行充放电过程中，电池内部物质的微结构会发生变化，例如电池内部的极片、电解液等物质的材料成分、形态等会发生变化，电池内部物质的微结构发生的变化能够体现出电池的充放电能力，当上述变化出现异常时，也能够体现出电池内部的极片、电解液等物质发生了异常、失效，如三星电子的专利us9716295b2公开了一种应用于实时分析原位纽扣电池的拉曼光学测量系统，通过测量从电极发出的散射光来分析纽扣电池充电和放电的电极状态变化。koreabasicscienceinstitut(韩国基础科学研究院)的专利us20210310975a1公开了一种用于原位光学和电化学分析的电池单元测量模块，将拉曼光照射到电池堆上，通过监测正负极活性材料变化来表征电池的充放电情况。同时,锂电池在循环充放电过程中会产生大量气体，气体产生会引起极片膨胀以及增加电池内阻，从而对电池的循环性能及容量产生非常大的影响，气体产生的量越多，电池的循环性能就越差，容量快速衰减，通过检测特征气体浓度，可帮助电池厂商改进电池配方和制造工艺，这也是近几年研究的重点。

4、目前常用的分析方法是用针孔注射器从电池里面抽取一部分气体，然后送入到气相色谱仪进行分析检测，如专利cn205985250u公开了一种方型铝壳锂电池内部产气在线成分分析装置，通过取气针及时准确收集铝壳锂离子电池在各种充放电过程中产生的气体，并通过气体收集腔将微量气体富集，通过多通阀连接气相色谱仪，可对多个电池进行连续式产气分析，

5、但这种分析方法存在的问题是：（1）气相色谱分析时间长，通常要十几分种才能完成样品检测；（2）从电池里面抽取气体，会改变电池的工作环境，影响电池寿命。相比气象色谱，拉曼光谱技术可在秒级时间内分析锂离子电池的释放气体（co2、co、h2、ch4、c2h4）和空气成分（n2、o2）的动态变化信息，但要实现对电池的原位检测需要将拉曼探头置于电池体内，但由于电池本身体积小，对探头大小有限制，探头太小探测光信号也弱，而且拉曼探头在电池体内容易被电解液腐蚀。

6、此外，拉曼探头在长期检测过程中，拉曼探头的探测端容易积累灰尘、油污等杂质，从而影响检测结果的准确性。

技术实现思路

1、为了在保障电池正常运行的同时提高电池充放电气体的检测效率和检测准确性，本技术提供一种基于拉曼探头的电池充放电产气原位测试装置。

2、本技术提供的一种基于拉曼探头的电池充放电产气原位测试装置采用如下的技术方案：

3、一种基于拉曼探头的电池充放电产气原位测试装置，包括：

4、拉曼探头，所述拉曼探头的检测端用于与电池的外侧可拆卸连接，用于收集并检测电池产生的气体；

5、拉曼光谱分析仪，与所述拉曼探头连接，用于测试电池充放电各阶段产气的组分浓度；

6、充放电设备，用于与电池正负极连接，给电池充电或放电；

7、工况机，与所述充放电设备连接，用于控制充放电程序；

8、吹扫系统，包括吹扫件和吹扫管路，所述吹扫件与吹扫管路的一端连接，所述吹扫管路的另一端与拉曼探头的检测端连接，所述吹扫件用于对拉曼探头的检测端进行吹扫。

9、通过采用上述技术方案，工况机控制充放电设备给电池充电或放电，电池充放电过程中产生的气体扩散到拉曼探头内腔，拉曼探头将气体信号转换为光信号，传递给拉曼光谱分析仪，拉曼光谱分析仪通过光谱解析各气体组分浓度。本技术一方面在原位直接对电池内部气体进行拉曼光谱在线检测，和传统的气相色谱仪相比，在线检测响应速度快，色谱通常要十几分钟，而拉曼秒级响应；另一方面，采用拉曼探头直接与电池连接，不需要复杂的集气装置或过滤气路，气体能够在电池原位检测，避免直接对电池内部气体进行抽取，降低对电池工作环境的影响，延长电池使用寿命。另外，吹扫系统够去除附着在探头表面或孔道中的灰尘、油脂、污垢等杂质，提高检测结果的准确性和延长探头使用寿命。

10、可选的，所述拉曼探头通过转接头与电池可拆卸连接。

11、通过采用上述技术方案，电池内部的气体能够通过转接头进入拉曼探头内，确保电池气体不外泄，同时，能够实现拉曼探头与电池的快速拆装。

12、可选的，还包括产气量在线检测系统，所述产气量在线检测系统包括产气量输出管道和产气量测试单元，所述产气量输出管道一端与所述转接头连接，所述产气量输出管道的出气端与所述产气量测试单元连接。

13、通过采用上述技术方案，通过转接头的连接，一方面能够实现电池循环充放电各阶段产气的组分浓度的在线检测，另一方面也能够检测电池充放电各阶段产气量，产气量越多电池质量越差。因此，通过电池产气组分浓度和产气量，有助于改善电池工艺和评估电池质量。

14、可选的，所述吹扫件为吹扫气瓶，所述吹扫管路上设置有第一启闭阀。

15、通过采用上述技术方案，在检测之前，开启第一启闭阀，通过吹扫气瓶往吹扫管路内通入吹扫气，对拉曼探头检测端进行吹扫，吹扫能够去除附着在探头表面或孔道中的灰尘、油脂、污垢等杂质，提高检测结果的准确性和延长探头使用寿命。

16、可选的，所述转接头包括转接套筒，所述拉曼探头的检测端螺纹连接于所述转接套筒的一端内，电池上安装有电池接头，所述转接套筒的另一端用于与电池接头螺纹连接。

17、通过采用上述技术方案，电池内气体通过电池接头进入转接套筒内，并由转接套筒进入拉曼探头内，螺纹连接的方式既方便拆装，也能够保障密封性，减少气体外泄。

18、可选的，所述拉曼探头检测端的进气口沿径向朝向转接套筒侧壁，所述拉曼探头沿轴线朝向电池接头的一端设有封堵端，所述拉曼探头检测端的进气口外周套设有过滤器，所述过滤器与转接套筒的内壁之间设置有气体通道。

19、通过采用上述技术方案，电池内部溢出的气体不直接流向拉曼探头检测端的进气口，而是先由封堵端进行阻挡，封堵端一方面能够减缓气体流速，使气体能更均匀进入拉曼探头内部，提高检测结果；另一方面气体中携带的电解液气雾也能够被封堵端和过滤器进行阻挡，避免电解液进入拉曼探头内，防止镜片被电解液污染，延长探头使用寿命。

20、可选的，所述转接套筒侧壁开设有吹扫进气口，所述吹扫进气口与所述吹扫管路连接，所述吹扫进气口沿转接套筒径向朝向所述封堵端。

21、通过采用上述技术方案，由于封堵端容易积累电解液或粉尘等杂质，在检测之前，利用吹扫系统能够对封端端以及拉曼探头检测端的进气口进行吹扫，提高探头检测结果和延长探头使用寿命。

22、可选的，所述产气量测试单元为u型管或浮力测试装置。

23、通过采用上述技术方案，基于阿基米德原理，利用u型管或浮力测试装置能够快速且较为精确地对电池产气量进行测量，降低检测成本和提高检测效率。

24、可选的，所述拉曼探头的检测端外周设置有台阶，所述转接套筒的端面与所述台阶抵接。

25、通过采用上述技术方案，利用台阶限定拉曼探头的检测端进入转接套筒的深度，确保拉曼探头的检测端处于预设位置，从而提高检测效果。

26、可选的，所述拉曼探头包括信号发射部、准直透镜、分光镜、第一聚焦透镜、消光片、滤光件、第二聚焦透镜以及信号接收部，所述信号发射部出射的激光经所述准直透镜准直为平行光，再入射至所述分光镜，所述分光镜改变光束方向至所述第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜将激光聚焦，在焦点位置激光和气体样品相互碰撞，产生拉曼散射光，多余的激光继续往前传播被所述消光片吸收，拉曼散射光经过所述第一聚焦透镜准直为平行光，从所述分光镜透射，经过所述滤光件滤除瑞利散射光，并经所述第二聚焦透镜聚焦后进入所述信号接收部。

27、通过采用上述技术方案，该光纤探头结构紧凑，且构件较少，因此光路调试简单，直接将拉曼探头与电池连接，拉曼光谱分析仪可以放置在环境良好的区域，能够有效降低现场环境对拉曼光谱分析仪的影响，既能实时检测气体组分浓度，也能延长拉曼光谱分析仪的使用寿命。

28、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

29、1.本技术一方面在原位直接对电池内部气体进行拉曼光谱在线检测，和传统的气相色谱仪相比，在线检测响应速度快，色谱通常要十几分钟，而拉曼秒级响应；另一方面，采用拉曼探头直接与电池连接，不需要复杂的集气装置或过滤气路，气体能够在电池原位检测，避免直接对电池内部气体进行抽取，降低对电池工作环境的影响，延长电池使用寿命。另外，吹扫系统够去除附着在探头表面或孔道中的灰尘、油脂、污垢等杂质，提高检测结果的准确性和延长探头使用寿命。

30、2.本技术能够同时检测电池产气组分浓度和产气量，有助于改善电池工艺和评估电池质量。

31、3.电池内部溢出的气体不直接流向拉曼探头检测端的进气口，而是先由封堵端进行阻挡，封堵端一方面能够减缓气体流速，使气体能更均匀进入拉曼探头内部，提高检测结果；另一方面气体中携带的电解液气雾也能够被封堵端和过滤器进行阻挡，避免电解液进入拉曼探头内，防止镜片被电解液污染，延长探头使用寿命。

32、4.利用台阶限定拉曼探头的检测端进入转接套筒的深度，确保拉曼探头的检测端处于预设位置，从而提高检测效果。