專利名稱：一種利用分子離子譜評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過非接觸檢測分子離子譜，評價蓄電池殼體材料環境失效行為
的方法，屬于電化學技術領域。
背景技術：
蓄電池是一種化學電源，由于它原料易得、加工工藝簡單、使用性能充分可靠、價 格低廉，適用于大電流放電等優點，使它在產值產量方面，居各種化學電源和物理電源首 位。例如鉛酸蓄電池，是在水下推進應用時間最長、可靠而價廉的高能電池，主要用于潛艇 和早期的潛水器的水下推進。潛艇上的一切電源諸如動力、照明、采暖通風、儀表、生活等均 由蓄電池供給， 一般容量在5000安時左右，每個蓄電池重約半噸左右，都是巨型蓄電池。由 于潛艇任務的特殊性，而蓄電池又是潛艇的命脈， 一組中有一個蓄電池發生重大故障，都會 影響到整個潛艇的安全和任務的執行，因此要求蓄電池的質量要百分之百的可靠。所以研 究蓄電池殼體材料在應用環境中的可靠性具有十分重大的意義。文獻報道的研究蓄電池殼 體材料可靠性的方法是將其直接放在實際應用環境中來獲得數據，雖然這樣得到的數據是 最有說服力的，但是實驗工作量繁重、投資大，而且由于現場的環境變化多，影響因素復雜， 不同的現場差別也大，對探索材料的性能變化規律有很大的干擾，且時間太長，等到實驗結 果得出，可能該產品已經被淘汰了 。 離子/分子選擇電極是一種電化學傳感器，可以配合掃描選擇電極技術以不接觸 被測材料的非損傷方式測量進出被測材料信息，得到分子離子譜。掃描微電極技術用于局 部腐蝕有突出的優勢，解決了以前電化學測試手段只能獲得整體平均信息的弊端。近年來， 隨著離子/分子選擇電極種類的不斷增多，電子線路技術和計算機硬件軟件技術的巨大發 展，顯微鏡技術、成像技術得到了越來越廣泛的應用，并與自動化控制技術相結合，給非接 觸微測技術提供了一個良好的平臺。但是，將現場實際應用的環境在實驗室條件下進行模 擬并受人工控制，使得材料在相同的工作條件下進行試驗，利用非接觸自動化微測原理得 到的分子離子譜評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法還未見報道。
發明內容
本發明提供一種通過非接觸檢測分子離子譜，評價蓄電池殼體材料環境失效行為 的方法。該方法采用多種離子/分子選擇性電極，在不接觸處于應用環境中的蓄電池殼體 材料的前提下，以手動或編程的方式方便、快捷、三維地實時測量進出蓄電池殼體材料表面 且與蓄電池殼體材料環境失效行為相關的離子/分子種類、離子/分子絕對濃度及離子/ 分子三維運動方向等大量信息，從而得到反映蓄電池殼體材料環境失效行為的分子離子 譜。該方法對蓄電池殼體材料無損傷，分析速度快且可靠性高，能在大大提高研究效率的同 時，明顯降低研究成本。
本發明的主要技術方案一種利用分子離子譜評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法，該技術系統包括離子/分子活性檢測單元l、顯微成像系統3、三維運動系統4、信號 放大系統5以及計算機數據處理系統7，其特征在于還包括智能開關2和微處理器6，多個 離子/分子選擇電極1-2固定在三維步進電機4-2的機械臂上，多個離子/分子選擇電極 1-2的引線與智能開關2連接，智能開關2分別與微處理器6和前置放大器5-1連接，微處 理器6通過串行接口 7-4與計算機數據處理系統7連接，前置放大器5-1與差分放大器5-2 連接，差分放大器5-2與計算機數據處理系統7連接，計算機數據處理系統7還分別與電極 運動控制器4-1和顯微成像系統3連接，電極運動控制器4-1分別與三維步進電機4-2和 顯微成像系統3的顯微鏡3-1連接。 上述的離子/分子活性檢測單元1包括參比電極、離子/分子選擇電極、被測材 料、液體介質及檢測容器。 上述的離子/分子選擇電極1-2根據測定的離子/分子來選定、添加，可以是玻璃 電極、金屬電極、碳絲電極、光纖電極、其他選擇性電極或特異性電極。 上述的具有選擇性或特異性的離子/分子電極被置于應用環境中的蓄電池殼體
材料表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號，去噪、放大后經過數據分析軟件分析得
到進出蓄電池殼體材料的多種離子/分子的絕對濃度、運動速率及三維運動方向等參數。 上述的蓄電池殼體材料通常是纖維增強復合材料，其增強體可以是玻璃纖維、碳
纖維等，其基體材料有乙烯基酯樹脂、聚氯乙烯、聚丙烯、ABS、硬橡膠等。 上述的蓄電池殼體材料在工作環境中能被腐蝕和發生老化，其工作環境包括溫
度、濕度、腐蝕性介質和紫外線輻射等。 本發明測試中將蓄電池殼體材料試樣放入其工作環境中，用離子/分子選擇電極 實時測量進出蓄電池殼體材料表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數， 從而得到與蓄電池殼體材料環境失效行為相關的分子離子譜。這些譜圖直接反映蓄電池殼 體材料在應用環境中發生Mg"、F^+、F^+溶出等過程的有效信息，通過計算機處理這些信息 得出腐蝕機理來評價蓄電池殼體材料環境失效行為。 本發明的測量分子離子譜的方法可以用于評價蓄電池殼體材料在應用環境中的 環境失效行為。 本發明的效果(l)方便、快捷、三維地實時測量蓄電池殼體材料在溫度、濕度、腐 蝕性介質和紫外線輻射等應用環境中發生的與其環境失效行為相關的信息，如Mg2+、 Fe2+、 Fe"溶出等過程的有效信息；(2)對蓄電池殼體材料無損傷，分析速度快且可靠性高，能在 大大提高研究效率的同時，明顯降低研究成本。
圖1為分子離子譜技術系統的組成示意圖。 圖2為進出蓄電池殼體材料中玻璃纖維表面的Fe2+和Fe3+的離子譜圖。
圖3為蓄電池中Fe2+和Fe3+在電介質溶液中發生的電荷交換反應。圖4為工作溫度為35t:、55t:、65t:及75t:時進出蓄電池殼體材料中玻璃纖維表
面的鐵離子濃度隨時間的變化曲線。
具體實施例方式
下面用實施例對本發明進一步說明，但本發明不限于這一實施例。
實施例 本實施例以玻璃纖維增強乙烯基酯樹脂復合材料作為殼體材料的蓄電池為例。采 用選擇性離子/分子電極測量進出使用中的蓄電池殼體材料表面的分子或離子信息，發現 進出蓄電池殼體材料表面的離子較多，如Mg2+、 Fe2+、 Fe3+等，且鐵離子在所有進出蓄電池殼 體材料表面的離子中濃度最高。因此得出鐵離子對蓄電池殼體材料的環境耐用性有重要影 響。 在此基礎上，采用選擇性離子/分子電極測量進出使用中的蓄電池殼體材料樹 脂、界面及玻璃纖維表面的分子或離子信息，發現測得的鐵離子主要來自于蓄電池殼體材 料中的玻璃纖維，Fe2+和Fe3+的離子譜圖如圖2所示，說明玻璃纖維是蓄電池殼體材料中最 易受到酸液腐蝕的部分。同時Fe2+和Fe3+的離子譜圖表明，由于鐵離子是一種變價物質，在 蓄電池的放電過程中鐵會發生變化，使蓄電池的性能下降。Fe2+和Fe3+在電解質溶液中電 荷交換(如圖3所示)使電池的自放電增加，導致電池的壽命降低。如果電解液中鐵離子 過量，那么整個電池的壽命就受到威脅，而此時即使蓄電池殼體材料再耐腐蝕，蓄電池本身 的作用喪失，則整個體系也沒有意義。因此用選擇性離子/分子電極測量溶液中鐵離子的 濃度等信息對于評價蓄電池殼體材料的環境耐用性具有重大意義。 此外，選擇性離子/分子電極測量發現從蓄電池殼體材料玻璃纖維中溶出的鐵離 子濃度跟蓄電池的工作時間和溫度也有緊密關系。采用選擇性離子/分子電極實時測量工
作溫度為35t:、55t:、65t:及75t:時進出蓄電池殼體材料中玻璃纖維表面的鐵離子譜圖，
然后采集不同時間的鐵離子譜圖數據得出四個工作溫度下鐵離子隨時間的變化曲線，如圖 4所示。從圖中可以看出，總體上來說，玻璃纖維中溶出的鐵離子濃度隨工作時間的延長逐 漸增加，且隨工作溫度的升高也逐漸增加。說明蓄電池的工作溫度及工作時間的增加會加 速玻璃纖維的腐蝕，即加速對蓄電池殼體材料的腐蝕。
權利要求
一種利用分子離子譜評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法，該技術系統包括離子/分子活性檢測單元(1)、顯微成像系統(3)、三維運動系統(4)、信號放大系統(5)以及計算機數據處理系統(7)，其特征在于還包括智能開關(2)和微處理器(6)，多個離子/分子選擇電極(1-2)固定在三維步進電機(4-2)的機械臂上，多個離子/分子選擇電極(1-2)的引線與智能開關(2)連接，智能開關(2)分別與微處理器(6)和前置放大器(5-1)連接，微處理器(6)通過串行接口(7-4)與計算機數據處理系統(7)連接，前置放大器(5-1)與差分放大器(5-2)連接，差分放大器(5-2)與計算機數據處理系統(7)連接，計算機數據處理系統(7)還分別與電極運動控制器(4-1)和顯微成像系統(3)連接，電極運動控制器(4-1)分別與三維步進電機(4-2)和顯微成像系統(3)的顯微鏡(3-1)連接。
2. 根據權利要求1的技術系統，其特征在于所述的離子/分子活性檢測單元(1)包 括參比電極、離子/分子選擇電極、被測材料、液體介質及檢測容器，離子/分子選擇電極 (1-2)根據測定的離子/分子來選定、添加，可以是玻璃電極、金屬電極、碳絲電極、光纖電 極、其他選擇性電極或特異性電極。
3. 根據權利要求1的技術系統，其特征在于所述的離子/分子活性檢測單元中的具有選擇性或特異性的離子/分子電極被置于應用環境中的蓄電池殼體材料表面近距離處， 采集其反饋的電壓或電流信號，去噪、放大后經過數據分析軟件分析得到進出蓄電池殼體材料的多種離子/分子的絕對濃度、運動速率及三維運動方向等參數。
4. 根據權利要求1的蓄電池殼體材料，其特征在于所述的蓄電池殼體材料通常是纖 維增強復合材料，其增強體可以為玻璃纖維、碳纖維等，其基體材料有乙烯基酯樹脂、聚氯 乙烯、聚丙烯、ABS、硬橡膠等。
5. 根據權利要求1的蓄電池殼體材料，其特征在于能對所述的蓄電池殼體材料產生 腐蝕和老化作用的工作環境有溫度、濕度、腐蝕性介質和紫外線輻射等。
6. 根據權利要求l的利用分子離子譜評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法，其特征在于將蓄電池殼體材料試樣放入其工作環境中，用離子/分子選擇電極實時測量進出蓄電池殼體材料表面離子/分子的種類、絕對濃度及三維運動方向等參數，從而得到與蓄 電池殼體材料環境失效行為相關的分子離子譜，這些譜圖是直接反映蓄電池殼體材料在應用環境中發生Mg"、F^+、F^+溶出等過程的有效信息，通過計算機處理這些信息得出腐蝕機 理來評價蓄電池殼體材料環境失效行為。
全文摘要
本發明提供一種通過非接觸檢測分子離子譜，評價蓄電池殼體材料環境失效行為的方法。該技術系統包括離子/分子活性檢測單元(1)、智能開關(2)、顯微成像系統(3)、三維運動系統(4)、信號放大系統(5)、微處理器(6)及計算機數據處理系統(7)。該方法采用多種離子/分子選擇電極，在不接觸處于應用環境中的蓄電池殼體材料的前提下，以手動或編程的方式實時測量進出蓄電池殼體材料表面且與蓄電池殼體材料環境失效行為相關的分子離子譜，能夠直接反映蓄電池殼體材料在應用環境中發生的與其環境失效行為相關聯的變化的有效信息。該方法對蓄電池殼體材料無損傷，分析速度快，可靠性高，能在大大提高研究效率的同時明顯降低研究成本。
文檔編號G01N17/02GK101738367SQ20081011871
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年11月25日
發明者許越 申請人:旭月(北京)科技有限公司