CN109935919B - 一种用于电池的气体采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电池的气体采集装置，涉及电池领域。所述气体采集装置包括：定位机构，设置于外壳上方并向上延伸，定位机构的底面与外壳的顶面完全贴合并通过密封胶气密密封，定位机构内部中空并与外壳的顶面相通；固定机构，设置于定位机构的顶部，并与定位机构气密密封对接，固定机构配置成可操作地沿定位机构上下往复移动；微型电钻，设置于固定机构的内部，且配置成随固定机构的往复移动而移动，微型电钻具有伸入定位机构内部的钻头，以在微型电钻向下移动时通过钻头钻破电池的外壳，而使电池内的气体溢出；以及气体收集单元，通过管路与定位机构的内部连通，以用于收集溢出的气体。从而采集电池内溢出的气体并进行检测。

Description

一种用于电池的气体采集装置

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种用于电池的气体采集装置。

背景技术

随着科技不断发展，电气自动化已经进入到生活中的方方面面，而电池为其提供动力，便显得更为重要，但是电池在使用过一段时间后，其内部容易产生气体，对气体的采集，并对其进行分析，以消除电池内气体产生便显得尤为重要。而对于通过不锈钢或/和铝合金外壳进行密封的电池，其内部产生的气体由于外壳硬度和强度很高，造成电池内气体很难采集。如果电池形状为不规则形状，如圆柱状，其圆弧面具有很强的抵抗外力变形的特点，导致其内部产生的气体几乎无法采集；尤其是由不锈钢或/和铝合金外壳包裹的锂电池。

而锂电池作为最为常用的电池，其在化成和使用过程中往往会有气体产生。其中在电池化成工艺过程中消耗电解液形成稳定SEI膜所发生的产气现象为正常产气。异常产气主要是指在电池循环过程中，过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等现象，造成电池内部压力过大而变形、撑破封装材料、内部电芯接触问题等。对锂电池产生的气体进行定性和定量的分析，有利于研究内部产气的原因和引起电池失效的因素。对锂电池的失效分析，性能改进起到重要的作用。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种用于电池的气体采集装置，通过钻破其外部密封包裹的不锈钢或/和铝合金外壳，从而采集电池内溢出的气体并进行检测。

本发明一个进一步的目的是针对常用的方形体锂电池，提供一种结构简单操作便捷的电池内气体采集装置。

本发明另一个进一步的目的是要在钻穿锂电池外壳的同时，保护锂电池内部结构，以使后续对锂电池内部结构进行准确的检测分析。

特别地，本发明提供了一种用于电池的气体采集装置，所述电池由不锈钢或/和铝合金外壳气密密封包裹，包括：

定位机构，设置于所述外壳上方并向上延伸，所述定位机构的底面与所述外壳的顶面完全贴合并通过密封胶气密密封，所述定位机构内部中空并与所述外壳的顶面相通；

固定机构，设置于所述定位机构的顶部，并与所述定位机构气密密封对接，所述固定机构配置成可操作地沿所述定位机构上下往复移动；

微型电钻，设置于所述固定机构的内部，且配置成随所述固定机构的往复移动而移动，所述微型电钻具有伸入所述定位机构内部的钻头，以在所述微型电钻向下移动时通过所述钻头钻破所述电池的外壳，而使所述电池内的气体溢出；以及

气体收集单元，通过管路与所述定位机构的内部连通，以用于收集溢出的所述气体。

进一步地，相互配合的气密螺纹分别形成于所述定位机构处和所述固定机构处，以使所述固定机构与所述定位机构气密密封对接。

进一步地，所述气体收集单元包括有密闭容器，所述密闭容器由导管与所述定位机构连通，以盛放流入其内的所述气体；

所述气体采集装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述导管连接，以将所述密闭容器、所述定位机构的内部及所述导管内抽真空。

进一步地，所述密闭容器与气相色谱仪连通，并且其连通处安装有第三开关阀；

所述气体收集单元还包括：

三通管，其互通的第一端至第三端分别与所述导管、所述抽真空装置及所述密闭容器连通；以及

单向阀，安装于所述三通管与所述导管之间，以使所述气体只能流向所述密闭容器；

其中，所述三通管与所述抽真空装置的连通处安装有第一开关阀，所述三通管与所述密闭容器连通处安装有第二开关阀。

进一步地，所述定位机构的内部形成有使所述定位机构顶部与所述外壳的顶面相连通的通腔，

所述定位机构的侧壁形成有圆台，所述圆台的侧壁为锥面，所述圆台的顶面形成有与所述通腔连通的通孔，所述圆台插入所述导管的一端并与其侧壁贴合。

进一步地，所述外壳的顶面为水平设置的平面，所述定位机构的底面为平面。

进一步地，所述电池的外壳为方形体。

进一步地，所述电池外壳为沿着水平方向延伸的圆柱体，所述外壳顶面为圆弧面，所述定位机构的底面为圆弧面。

进一步地，所述钻头对所述外壳的钻削深度为0.8mm至1.2mm，所述钻头为锥形磨砂钻头，所述钻头将所述外壳的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部，所述孔状部通过有色胶带密封。

进一步地，所述电池为锂电池。

本申请技术效果：

由于定位机构底面与电池外壳顶面完全贴合，使得定位机构与电池外壳定位准确，通过密封胶气密密封，一方面可以防止溢出的气体扩散到定位机构外部，另一方面使定位机构与电池外壳保持固定。用于钻破外壳的微型电钻通过定位机构及固定机构保持于电池的上方，并且将固定机构配置成可操作地沿定位机构上下往复移动，这样无论电池外壳为何种形状，由于其外壳与钻头移动方向保持固定不变，从而带动钻头钻破不锈钢或/和铝合金构成的外壳。

另外，本申请的气体采集装置结构简单，其核心部件主要是定位机构、固定机构和微型电钻，除微型电钻的电机外，并没有使用任何传感器件来检测是否将外壳钻穿，而是利用电池外壳、电池内结构及钻头在空载行程中，钻头感受到的硬度及强度完全不同，而这种硬度及强度不同通过操作固定机构可以被采集人员的手感受到，继而判断钻头是否与外壳接触，以及是否将外壳钻破。这样既可以保证钻破电池外壳，又通过结构简单的方式来大幅度的降低成本，从而一举两得。

进一步地，由于定位机构的底面为平面，方形壳体的所有外表面均为平面，因此定位机构可以与电池外壳的任意一个平面的任意一个位置接触。这样，当观察到外壳的某个平面呈外凸状，而需要对该平面进行钻削时，便可以对该位置平面进行钻削，而不受任何限制。从而采集气体非常方便。

进一步地，利用气密螺纹具有自锁角的特点，也就是说，只有当旋拧螺纹的力大于其自锁力，螺纹才能够被旋转，并推动钻头向下移动。而在旋转过程中，仅仅使固定机构刚好能够相对定位机构转动，也就是其旋转力刚刚大于或等于气密螺纹的自锁角对应的推力。这样以气密螺纹是否发生自锁的自锁力为参考，完全能够控制钻头的向下移动的钻削力的大小，并且当外壳快要被钻穿时，减慢对固定机构的旋拧力度，从而不破坏电池内部结构。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明所述气体采集装置的结构示意图；

图中附图标记为：

1微型电钻、101钻头、102电机；

2电池、201外壳；

3定位机构、301圆台、302通腔；

4固定机构；

5气密螺纹；

6气体收集单元、601密闭容器、602导管、603三通管、604单向阀、605第一开关阀、606第二开关阀、607第三开关阀；

7抽真空装置；

8密封胶。

具体实施方式

参见图1，本申请的气体采集装置包括：定位机构3、固定机构4、微型电钻1以及气体收集单元6。其中，电池2由不锈钢或/和铝合金外壳201气密密封包裹。定位机构3设置于外壳201上方并向上延伸，定位机构3的底面与外壳201的顶面完全贴合并通过密封胶8气密密封，定位机构3内部中空并与外壳201的顶面相通。固定机构4设置于定位机构3的顶部，并与定位机构3气密密封对接，固定机构4配置成可操作地沿定位机构3上下往复移动。微型电钻1设置于固定机构4的内部，且配置成随固定机构4的往复移动而移动，微型电钻1具有伸入定位机构3内部的钻头101，以在微型电钻1向下移动时通过钻头101钻破电池2的外壳201，而使电池2内的气体溢出。气体收集单元6通过管路与定位机构3的内部连通，以用于收集溢出的气体。

本申请的气体采集装置的使用过程可以是，首先将定位机构3的底面与电池2外壳201的顶面完全贴合，然后使用密封胶8将它们气密密封对接，以使定位机构3固定于电池2外壳201顶部，然后由采集人员操作固定机构4，使固定机构4向下移动，从而带动设置于固定机构4的内部的微型电钻1移动，当钻头101与外壳201表面开始接触时，采集人员通过操作固定机构4感受到钻头101移动速度降低，然后继续操作固定机构4，使微型电钻1下方的钻头101向下移动并钻破外壳201，而使电池2内的气体溢出，然后使气体进入气体收集单元6，当外壳201被钻穿后，由于外壳201内电池2结构的硬度与外壳201的硬度不同，使得钻头101的移动速度发生改变并通过操作固定机构4被采集人员感受到。此时检测人员停止操作固定机构4，或者使固定机构4向上移动，使钻头101与外壳201脱离，气体采集过程结束。

由于定位机构3底面与电池2外壳201顶面完全贴合，使得定位机构3与电池2外壳201定位准确，通过密封胶8气密密封，一方面可以防止溢出的气体扩散到定位机构3外部，另一方面使定位机构3与电池2外壳201保持固定。用于钻破外壳201的微型电钻1通过定位机构3及固定机构4保持于电池2的上方，并且将固定机构4配置成可操作地沿定位机构3上下往复移动，这样无论电池2外壳201为何种形状，由于其外壳201与钻头101移动方向保持固定不变，从而带动钻头101钻破不锈钢或/和铝合金构成的外壳201。

另外，本申请的气体采集装置结构简单，其核心部件主要是定位机构3、固定机构4和微型电钻1，除微型电钻1的电机102外，并没有使用任何传感器件来检测是否将外壳201钻穿，而是利用电池2外壳201、电池2内结构及钻头101在空载行程中，钻头101感受到的硬度及强度完全不同，而这种硬度及强度不同通过操作固定机构4可以被采集人员的手感受到，继而判断钻头101是否与外壳201接触，以及是否将外壳201钻破。这样既可以保证钻破电池2外壳201，又通过结构简单的方式来大幅度的降低成本，从而一举两得。

密封胶8可以是固体胶。

参见图1，进一步地，电池2可以是锂电池2。

参见图1，特别地，相互配合的气密螺纹5分别形成于定位机构3处和固定机构4处，以使固定机构4与定位机构3气密密封对接。同时，通过使固定机构4相对凸起部旋转，而使固定机构4配置成可操作地沿凸起部上下往复移动。关于气密螺纹5，已属于公知常识，可参考专利CN97106725.2。

需要说明的是，虽然可以将固定机构4配置成可操作地沿凸起部上下往复移动，例如使用滑槽与滑轨的配合形式，但是，发明人发现，由于外壳201与电池2内结构不是同种物质其强度硬度完全不同，而通常电池2内物质比外壳201的硬度和强度低很多，当钻头101钻穿外壳201的瞬间，钻头101受到的阻力瞬间减小，使得采集人员手的操作力与该阻力之间平衡被打破，使得操作力瞬间增大，根据牛顿定律，钻头101钻削的加速度将达到无穷大，使得钻头101对电池2内结构造成严重破坏，这会大大影响到后续对电池2内结构检测。若使用较小的操作力，来保证不破坏电池2内部结构，则无法使钻头101钻破外壳201，或者耗费时间很长。所以，做到既不破坏外壳201内的锂电池2结构，又可以钻破外壳201，成为巨大难题。

为此，发明人利用气密螺纹5具有自锁角的特点，也就是说，只有当旋拧气密螺纹5的力大于其自锁力，气密螺纹5才可以被旋转，并推动钻头101向下移动。而在旋转过程中，仅仅使固定机构4刚好可以相对定位机构3转动，也就是其旋转力刚刚大于或等于气密螺纹5的自锁角对应的推力。这样以气密螺纹5是否发生自锁的自锁力为参考，完全可以控制钻头101的向下移动的钻削力的大小，并且当外壳201快要被钻穿时，减慢对固定机构4的旋拧力度，从而不破坏电池2内部结构。

参见图1，进一步地，气体收集单元6包括有密闭容器601，密闭容器601由导管602与定位机构3连通，以盛放流入其内的气体。气体采集装置还包括抽真空装置7，抽真空装置7与导管602连接，以将密闭容器601、定位机构3的内部及导管602内抽真空。

并且，定位机构3对外壳201顶面的指定区域进行局部密封，使得密封范围小，抽真空的气体更少，这样既能够减少抽真空装置的损耗，还提高抽真空的速度。而且，密封范围小，相对于大范围的气密密封，其出现漏气的范围更小，因此保证了整个气密系统的气密性。

需要说明的是，抽真空装置7可以是真空泵。

由于本申请的气体采集装置由密闭容器601、定位机构3的内部及导管602构成气密密封系统，从而一方面防止在采集电池2内气体时空气中的其他气体的掺入，另一方面防止由电池2内溢出的气体在空气中扩散，导致该气体的采集量大幅度减少。

由于本申请的气体采集装置可以在钻头101向下移动前，先使用抽真空装置7将密闭容器601、定位机构3内部及导管602内抽真空，一方面可以消除由密闭容器601、定位机构3的内部及导管602构成的气密密封系统内的其他气体杂质，保证获得的气体纯度；另一方面，由于将密闭容器601、定位机构3的内部及导管602内抽真空，而电池2内具有气体，使得外壳201内的气压大于外壳201外的气压，使得钻头101在钻破外壳201时，在气压差作用下，使外壳201内的气体尽可能全部的进入密闭容器601，从而采集到尽可能多的该气体量。

参见图1，进一步地，密闭容器601与气相色谱仪(附图未示出)连通，并且其连通处安装有第三开关阀607。气体收集单元6还包括：三通管603以及单向阀604。三通管603具有的互通的第一端至第三端分别与导管602、抽真空装置7及密闭容器601连通。单向阀604安装于三通管603与导管602之间，以使气体只能流向密闭容器601。其中，三通管603与抽真空装置7的连通处安装有第一开关阀605，三通管603与密闭容器601连通处安装有第二开关阀606。

在采集气体之前，打开三通管603与抽真空装置7连接处的第一开关阀605，并打开抽真空装置7，抽出气体采集装置内的气体，然后关闭第一开关阀605。启动微型电钻1，缓慢旋转微型电钻1固定装置，至钻头101接触到外壳201电池2表面，继续缓慢旋转固定机构4至外壳201表面破损，有气体溢出。电池2内部气压大于气体采集装置内部气压，气体从电池2内部流出，通过导管602流入密闭容器601中，单向阀604阻止气体回流，从而可以完整的收集电池2内部的气体。这样，在采集该气体之前，对包括密闭容器601在内的所有构件进行杂质抽真空处理，以进一步保证获取的气体纯度。

另外，将密闭容器601与气相色谱仪连通，以便于对采集到的气体进行分析，通过开关第三开关阀607使气体进入气相色谱仪。

参见图1，进一步地，定位机构3的内部形成有使定位机构3顶部与外壳201的顶面相连通的通腔302。定位机构3的侧壁形成有圆台301，圆台301的侧壁为锥面，圆台301的顶面形成有与通腔302连通的通孔，圆台301插入导管602的一端并与其侧壁贴合。

需要说明的是，圆台301是指用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分叫做圆台301，圆台301同圆柱和圆锥一样也有轴、底面、侧面和母线。

由于圆台301结构的特点，其侧壁呈锥面，具有很好的插接导向性。并且其底部直径更大，可以与导管602内壁形成过盈配合，从而保证密封对接，使得在组装本申请的气体采集装置过程中，只需将圆台301插入导管602的一端，便快速实现导管602与凸起部的密封对接。

参见图1，进一步地，外壳201的顶面为水平设置的平面，定位机构3的底面为平面。

外壳201可以是方形外壳，或者一侧为曲面，另一侧为平面的外壳，这里的一侧与另一侧相对设置。使钻头101与平面垂直设置，可以防止钻头101在钻削的过程中产生偏移，从而保证钻头101可以顺利钻破电池2外壳201。

参见图1，进一步地，电池2的外壳201为方形体。由于定位机构3的底面为平面，方形壳体的所有外表面均为平面，因此定位机构3可以与电池2外壳201的任意一个平面的任意一个位置接触。这样，当观察到外壳201的某个平面呈外凸状，而需要对该平面进行钻削时，便可以对该位置平面进行钻削。而不受任何限制。从而采集气体非常方便。

参见图1，进一步地，电池2外壳201为沿着水平方向延伸的圆柱体，外壳201顶面为圆弧面，定位机构3的底面为圆弧面。本申请的气体采集装置仅仅需要对电池2外壳201表面的局部区域进行气密密封，因此抽真空的气体更少，形成真空的速度更快。

参见图1，进一步地，钻头101对外壳201的钻削深度为0.8mm至1.2mm，钻头101为锥形磨砂钻头101，钻头101将外壳201的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部，孔状部通过有色胶带密封。优选地，有色胶带为黄色胶带。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种用于电池的气体采集装置，所述电池由不锈钢或/和铝合金外壳气密密封包裹，包括：

定位机构，设置于所述外壳上方并向上延伸，所述定位机构的底面与所述外壳的顶面完全贴合并通过密封胶对所述外壳顶面的指定区域进行局部气密密封，所述定位机构内部中空并与所述外壳的顶面相通；

固定机构，设置于所述定位机构的顶部，并与所述定位机构气密密封对接，所述固定机构配置成可操作地沿所述定位机构上下往复移动；

微型电钻，设置于所述固定机构的内部，且配置成随所述固定机构的往复移动而移动，所述微型电钻具有伸入所述定位机构内部的钻头，以在所述微型电钻向下移动时通过所述钻头钻破所述电池的外壳，而使所述电池内的气体溢出；以及

气体收集单元，通过管路与所述定位机构的内部连通，以用于收集溢出的所述气体；

相互配合的气密螺纹分别形成于所述定位机构处和所述固定机构处，以使所述固定机构与所述定位机构气密密封对接，并且允许所述固定机构通过被旋拧以相对所述定位机构转动来沿所述定位机构上下往复移动。

2.根据权利要求1所述的气体采集装置，其特征在于，所述气体收集单元包括有密闭容器，所述密闭容器由导管与所述定位机构连通，以盛放流入其内的所述气体；

所述气体采集装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述导管连接，以将所述密闭容器、所述定位机构的内部及所述导管内抽真空。

3.根据权利要求2所述的气体采集装置，其特征在于，

所述密闭容器与气相色谱仪连通，并且其连通处安装有第三开关阀；

所述气体收集单元还包括：

三通管，其互通的第一端至第三端分别与所述导管、所述抽真空装置及所述密闭容器连通；以及

单向阀，安装于所述三通管与所述导管之间，以使所述气体只能流向所述密闭容器；

其中，所述三通管与所述抽真空装置的连通处安装有第一开关阀，所述三通管与所述密闭容器连通处安装有第二开关阀。

4.根据权利要求3所述的气体采集装置，其特征在于，

所述定位机构的内部形成有使所述定位机构顶部与所述外壳的顶面相连通的通腔，

所述定位机构的侧壁形成有圆台，所述圆台的侧壁为锥面，所述圆台的顶面形成有与所述通腔连通的通孔，所述圆台插入所述导管的一端并与其侧壁贴合。

5.根据权利要求1所述的气体采集装置，其特征在于，所述外壳的顶面为水平设置的平面，所述定位机构的底面为平面。

6.根据权利要求5所述的气体采集装置，其特征在于，所述电池的外壳为方形体。

7.根据权利要求1所述的气体采集装置，其特征在于，所述电池外壳为沿着水平方向延伸的圆柱体，所述外壳顶面为圆弧面，所述定位机构的底面为圆弧面。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的气体采集装置，其特征在于，所述钻头对所述外壳的钻削深度为0.8mm至1.2mm，所述钻头为锥形磨砂钻头，所述钻头将所述外壳的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部，所述孔状部通过有色胶带密封。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的气体采集装置，其特征在于，所述电池为锂电池。

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