專利名稱：一種在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電池材料性能檢測裝置，特別涉及一種在模擬鎳-氫二次電池充放電循環測試過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法及其裝置。
背景技術：
面對全球范圍越來越嚴重的環境污染及能源危機，開發污染小而且可以再生的新能源是人類面臨的緊迫任務之一，儲氫合金的發現和利用以及在此基礎上開發出的Ni-MH二次電池的實用化與商品化，是以水作為原材料的氫能的開發利用方面取得的重大突破。目前，用儲氫材料做負極制作的Ni-MH電池已在生產、生活的各個領域獲得極為廣泛的應用，成為人們日常生產生活的必需品之一。隨著科學技術的不斷發展與進步，對二次電池需求越來越多，對產品質量的要求也越來越高，對二次電池的容量和壽命不斷提出更高的要求，因此需要進一步開發出具有更高性能的儲氫合金作為電池負極材料，從而獲得大容量、長壽命的電池。以氫能為動力來源的電動汽車是近幾年發展很快的產業之一，其中最關鍵的技術瓶頸是高的比能量(50Wh/kg)、高的比功率(150W/kg)的二次電池的制造，如何獲得適用的儲氫材料是當前研究工作的重點。儲氫合金的循環工作壽命是決定材料是否具有實用價值的最關鍵的因素之一，在連續充放電循環過程中，合金吸氫后晶胞體積膨脹較大，易粉化，比表面隨之增大，從而增大合金氧化的機會，由于儲氫電極材料被氧化腐蝕，導致電極容量逐漸減小，使合金過早失去吸放氫能力，從而導致電池失效。電極的循環工作壽命通常以電極的容量降低到某一特定值時的循環次數來度量。目前，人們在分析儲氫合金的循環工作壽命時，通常是根據電池的循環壽命曲線上電極容量下降到一定數值后，將儲氫材料取出，通過結構測試和組織觀察，判斷造成材料吸放氫能力衰減的原因。這種間接的分析方法所得出的結論，往往無法真實地反映儲氫電極材料在連續充放電循環過程中組織、結構以及表面狀態的變化，例如(1)儲氫材料在每一個循環的吸氫與放氫過程中晶格尺寸和應力是如何變化的？這是解釋材料粉化原因的關鍵；(2)儲氫電極材料是經歷多少次充放電循環時開始出現明顯的氧化腐蝕的，發生氧化腐蝕的程度與當時的電極容量的對應關系如何？而這正是分析導致電池失效原因的最關鍵而且最重要的依據。但目前還沒有專門用于在測試模擬二次電池充放電循環過程的同時進行結構測試和組織分析的模擬測試方法及裝置。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種操作簡單、應用方便的在模擬鎳-氫二次電池充放電循環測試過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法。
本發明的另一目的在于提供一種實現上述方法的裝置。
本發明的目的通過下述技術方案實現本充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法包括下述步驟在對模擬鎳-氫二次電池進行充放電循環測試過程中，將X射線以一定的衍射角照射儲氫合金制成的模擬電池負極片，并接收衍射信號，從而對儲氫合金的組織和結構進行測試并實時分析。
所述衍射角為20°～150°。
所述實時分析是指在對模擬鎳-氫二次電池進行充放電循環測試的同時，對儲氫合金進行X射線衍射分析，獲得儲氫合金的組織、晶粒尺寸、應力狀態的變化和氧化物的形成等信息，從而建立充放電循環過程中儲氫合金組織結構變化與模擬鎳-氫二次電池的電化學性能變化之間直接的量化關系。
實現上述方法的充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置包括儲氫特性測試儀、負極片為儲氫合金的模擬鎳-氫二次電池，所述模擬鎳-氫二次電池與儲氫特性測試儀相連接，其特征在于包括X射線衍射儀，所述X射線衍射儀與所述模擬鎳-氫二次電池相對設置。
所述模擬鎳-氫二次電池設置在密封盒內，所述密封盒設置有X射線測試窗口，將裝有模擬鎳-氫二次電池的密封盒置于X射線衍射儀的樣品臺上，X射線透過X射線測試窗口照射在模擬鎳-氫二次電池的儲氫合金負極片上。
所述密封盒包括盒蓋和盒體，盒蓋以螺紋連接方式與盒體連接在一起，所述盒蓋上設有X射線測試窗口，在X射線測試窗口上安裝有鈹玻璃薄片或麥拉(miller)膜；所述盒體內有一空腔，在空腔內設置有試樣載板、定位調節構件，所述試樣載板通過定位調節構件與盒體相連接。
所述定位調節構件包括限位片、松緊度調節組件，所述松緊度調節組件頂接于試樣載板下部，限位片設置于試樣載板與盒蓋之間；所述松緊度調節組件與限位片配合壓緊固定試樣載板，并可調節試樣載板與X射線測試窗口的平行度，由于試樣載板的上端形成試樣室，所述負極片為儲氫合金的模擬鎳-氫二次電池放置于試樣室中，所以松緊度調節組件與限位片相配合實質可調節被測試的負極片(儲氫合金)與X射線測試窗口的平行度。
所述松緊度調節組件由定位彈簧套接在定位螺桿上構成。
所述盒蓋與盒體接觸面設置有密封圈，以使盒蓋與盒體密封連接。
所述盒體上設置有正極接線柱、負極接線柱A，正極接線柱與盒體短接，負極接線柱A與盒體絕緣，所述試樣載板上設置有負極接線柱B，負極接線柱A與負極接線柱B之間用導電材料相連接；所述模擬電池由負極片(儲氫合金)、隔膜紙和正極片組成的模擬電極置于盛有適量電解液的試樣室中構成，其負極片與負極接線柱A、負極接線柱B相連接，正極片與正極接線柱相連接，所述正極接線柱和負極接線柱A分別和儲氫特性測試儀的正極和負極相連接。
本發明相對現有技術具有如下的優點及效果本發明方法及裝置通過利用X射線照射處于充放電循環測試狀態的儲氫合金并接收衍射信號，直接測定晶格尺寸和應力狀態變化，以及電極表面氧化程度，通過上述參量與利用儲氫特性測試儀測出的電極電性能參量的對比，可建立合金粉化-電極氧化-電極容量三者之間的對應關系曲線，為全面準確地分析造成儲氫電極材料吸放氫能力衰減的原因和影響循環壽命的因素提供直接詳實的實驗依據，可對開發具有更高電極容量和更長循環壽命的儲氫電極材料提供重要的技術保證。
圖1是本發明裝置的工作原理示意圖。
圖2是裝有模擬二次電池的密封盒的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
實施例圖1及圖2示出了本發明的具體實施方式
，由圖1可見，本發明裝置包括儲氫特性測試儀20、裝有模擬鎳-氫二次電池的密封盒、X射線衍射儀16，儲氫特性測試儀20與裝有模擬鎳-氫二次電池的密封盒相連接，所述密封盒置于X射線衍射儀16的水平樣品臺19上；其中儲氫特性測試儀20可采用美國先進材料公司(Advanced Materials Corporation)生產的CPI型儲氫特性測試儀；X射線衍射儀16可采用Philips X’Pert Pro型X射線衍射儀。
所述裝有模擬鎳-氫二次電池的密封盒包括盒蓋4和盒體1，盒蓋4以螺紋連接方式與盒體1連接在一起，在盒蓋4與盒體1接觸面設置有密封圈10，使盒蓋4與盒體1密封連接；所述盒蓋4上設有X射線測試窗口7，在X射線測試窗口7上安裝有鈹玻璃薄片；所述盒體1內有一空腔，在空腔內設置有試樣載板3、定位調節構件，所述試樣載板3通過定位調節構件與盒體1相連接，所述定位調節構件包括限位片5、松緊度調節組件，所述松緊度調節組件頂接于試樣載板3下部，限位片5設置于試樣載板3與盒蓋4之間；所述松緊度調節組件與限位片5配合壓緊固定試樣載板3，并可調節試樣載板3與X射線測試窗口7的平行度，由于試樣載板3的上端形成試樣室8，所述負極片15為儲氫合金的模擬鎳-氫二次電池的正、負極片放置于試樣室8中，所以松緊度調節組件與限位片5相配合實質可調節被測試的負極片15(儲氫合金)與X射線測試窗口7的平行度；所述松緊度調節組件由定位彈簧14套接在定位螺桿2上構成；所述盒體1上設置有正極接線柱12、負極接線柱13，正極接線柱12與盒體1短接，負極接線柱13與盒體絕緣，所述試樣載板3上設置有負極接線柱11，負極接線柱11與負極接線柱13之間用導電材料相連接；所述模擬鎳-氫二次電池由負極片(儲氫合金)15、隔膜紙和正極片組成的模擬電極置于盛有適量電解液的試樣室8中構成，其負極片15與負極接線柱11、負極接線柱13相連接，正極片與正極接線柱12相連接，所述正極接線柱12和負極接線柱13分別和儲氫特性測試儀20的正極和負極相連接。
將前述裝有模擬鎳-氫二次電池的密封盒水平放置在X射線衍射儀16的水平樣品臺19上，通過對X射線衍射儀16的水平樣品臺19進行適當調整，使X射線發生器17發出的X射線以一定的衍射角通過密封盒的盒蓋4上的X射線測試窗口7上的鈹玻璃薄片，照射在模擬電池負極片15的表面，并利用測角儀18接收衍射信號，從而對負極片(儲氫合金)15的組織和結構進行測試，對儲氫合金的晶格尺寸、應力狀態的變化，以及氧化情況進行實時分析，建立合金粉化-電極氧化-電極容量三者之間的對應關系曲線，為全面準確地分析造成儲氫電極材料吸放氫能力衰減的原因和影響循環壽命的因素提供直接詳實的實驗依據。
權利要求
1.一種在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法，其特征在于包括下述步驟在對模擬鎳-氫二次電池進行充放電循環測試過程中，將X射線以一定的衍射角照射儲氫合金制成的模擬電池負極片，并接收衍射信號，對儲氫合金的組織和結構進行測試并實時分析。
2.根據權利要求1所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法，其特征在于所述實時分析是指在對模擬鎳-氫二次電池進行充放電循環測試的同時，對儲氫合金進行X射線衍射分析，獲得儲氫合金的組織、晶粒尺寸、應力狀態的變化和氧化情況的信息，從而建立充放電循環過程中儲氫合金組織結構變化與模擬鎳-氫二次電池的電化學性能變化之間直接的量化關系。
3.根據權利要求1所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法，其特征在于所述X射線衍射角為20°～150°。
4.一種在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，包括儲氫特性測試儀、負極片為儲氫合金的模擬鎳-氫二次電池，所述模擬鎳-氫二次電池與儲氫特性測試儀相連接，其特征在于包括X射線衍射儀，所述X射線衍射儀與所述模擬鎳-氫二次電池相對設置。
5.根據權利要求4所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述模擬鎳-氫二次電池設置在密封盒內，所述密封盒設置有X射線測試窗口，所述密封盒置于X射線衍射儀的樣品臺上，X射線透過X射線測試窗口照射在模擬鎳-氫二次電池的儲氫合金負極片上。
6.根據權利要求5所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述密封盒包括盒蓋和盒體，盒蓋以螺紋連接方式與盒體連接在一起，所述盒蓋上設有X射線測試窗口，在X射線測試窗口上安裝有鈹玻璃薄片或miller膜；所述盒體內有一空腔，在空腔內設置有試樣載板、定位調節構件，所述試樣載板通過定位調節構件與盒體相連接。
7.根據權利要求6所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述定位調節構件包括限位片、松緊度調節組件，所述松緊度調節組件頂接于試樣載板下部，限位片設置于試樣載板與盒蓋之間；所述松緊度調節組件與限位片配合壓緊固定試樣載板。
8.根據權利要求7所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述松緊度調節組件由定位彈簧套接在定位螺桿上構成。
9.根據權利要求6所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述盒蓋與盒體接觸面設置有密封圈。
10.根據權利要求6所述的在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的裝置，其特征在于所述盒體上設置有正極接線柱、負極接線柱A，正極接線柱與盒體短接，負極接線柱A與盒體絕緣，所述試樣載板上設置有負極接線柱B，負極接線柱A與負極接線柱B之間用導電材料相連接；所述模擬電池由負極片、隔膜紙和正極片組成的模擬電極置于盛有適量電解液的試樣室中構成，其負極片與負極接線柱A、負極接線柱B相連接，正極片與正極接線柱相連接，所述正極接線柱和負極接線柱A分別和儲氫特性測試儀的正極和負極相連接。
全文摘要
本發明提供一種在充放電循環過程中同步測定儲氫合金結構與組織變化的方法，包括下述步驟在對模擬鎳－氫二次電池進行充放電循環測試過程中，將X射線以一定的衍射角照射儲氫合金制成的模擬電池負極片，并接收衍射信號，并進行實時分析；一種實現上述方法的裝置，包括儲氫特性測試儀、負極片為儲氫合金的模擬鎳－氫二次電池、X射線衍射儀，所述模擬鎳－氫二次電池與儲氫特性測試儀相連接，X射線衍射儀與所述模擬鎳－氫二次電池相對設置。利用本發明可以在對模擬鎳－氫二次電池進行充放電循環特性測試的同時，對儲氫合金的組織結構進行測試，為全面準確地分析造成儲氫電極材料吸放氫能力衰減的原因和影響循環壽命的因素提供直接詳實的實驗依據。
文檔編號G01R31/36GK1580752SQ20041002721
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月17日 優先權日2004年5月17日
發明者車曉舟 申請人:華南理工大學