一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置的制作方法

1.本实用新型涉及锂电池检测技术领域，具体地指一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置。


背景技术：

2.锂电池工作电压高、体积小、质量轻、能量高、低污染、循环寿命长，已成为新能源汽车、电瓶车目标市场的绝对主力产品。在锂电池中，过渡金属溶出问题是限制电池循环寿命和存储寿命的主要原因之一。对失效电池中过渡金属的溶出和沉积问题进行研究，有助于确定电池失效的症结所在，为有效抑制过渡金属溶解的提供指导。
3.目前常规的检测方法，如滴定法、离子色谱法、紫外吸收光谱法(uv-vis)、原子吸收光谱(aas)和电感耦合等离子体发射光谱(icp-oes)等，现有方法均是对电解液溶液进行分析，分析前需采用适当的化学试剂对电解液进行预处理，分析过程中使用大量化学试剂，有悖绿色、环保的理念，同时操作步骤繁琐、耗时。
4.有鉴于此，研究一种能够简单、快速、可靠、环保地测定锂电池电解液中过渡金属离子含量的装置，对锂电池中与过渡金属离子溶剂沉积相关问题的研究具有重要意义。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为解决上述技术问题，而提出的一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置，实现对锂电池电解液中过渡金属离子的检测。
6.为实现上述目的，本实用新型所设计的一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置，其特征在于，所述装置包括激光器和iccd相机，沿所述激光器的光路方向依次设置激光反射镜、激光聚焦镜和样品采集区；所述iccd相机与光谱仪连接，所述光谱仪通过采集光纤与采集头相连，所述采集头与样品采集区相对；所述激光器与iccd相机通过控制线连接，所述iccd相机通过数据线与计算机连接。
7.进一步地，所述样品采集区包括载玻片，所述载玻片上方设置有样品烧蚀区和待检测样品区。
8.更进一步地，所述样品烧蚀区布置有黑色点位矩阵，设置点阵区域为单次采集光谱区域，黑色点位用于激光烧蚀定位。
9.更进一步地，所述激光聚焦镜的焦点设置于样品表面以下1～4mm处，以防止空气击穿。
10.更进一步地，所述激光器为nd：yag脉冲调q激光器。
11.更进一步地，所述光谱仪的波长范围为200～975nm，分辨率为λ/
△
λ＝5000。
12.更进一步地，所述载玻片上的样品烧蚀区和待检测样品区承载干燥后的电解液样品。
13.更进一步地，所述样品烧蚀区的长度为6～10mm，宽度为4～8mm。
14.更进一步地，所述iccd相机的延时设置为2μs，门宽设置为5μs，能够获得最佳的光
谱强度和光谱信背比。
15.相对于现有技术，本实用新型的有益效果为：
16.1、能够简单、快速、可靠、环保地测定锂电池电解液中过渡金属离子含量，无需消耗大量化学试剂。
17.2、测试样品制作简单、便捷、操作方便。
18.3、利用本装置进行过渡金属离子检测时，根据待测元素的谱线强度和含量的关系，建立标准工作曲线，再对样品进行libs光谱采集，分析待测元素特征谱峰的强度，得到可量化的准确结果。
附图说明
19.图1为本实用新型一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置的结构示意图。
20.图2为图1中载玻片上设置样品烧蚀区和待检测样品区的结构示意图。
21.图3为使用本实用新型进行锂电池电解液中过渡金属离子含量检测的流程图。
22.图4为金属元素fe的激光诱导击穿光谱图。
23.图5为金属元素mn的激光诱导击穿光谱图。
24.图中：激光器1，激光反射镜2，激光聚焦镜3，样品采集区4，控制线5，采集头6，计算机7，数据线8，iccd相机9，光谱仪10，采集光纤11，样品烧蚀区12，待检测样品13，载玻片14。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：
26.如图1所示，本实用新型提出的一种锂电池电解液中过渡金属离子的检测光谱采集装置，包括激光器1和iccd相机9，沿激光器1的光路方向依次设置激光反射镜2、激光聚焦镜3和样品采集区4；iccd相机9与光谱仪10连接，光谱仪10通过采集光纤11与采集头6相连，采集头6与样品采集区4相对；激光器1与iccd相机9通过控制线5连接，iccd相机9通过数据线8与计算机7连接。
27.在本实施例中，激光器1采用nd：yag脉冲调q激光器(quantel brilliant b，波长532nm，脉冲宽度8ns，重复频率10hz)，烧蚀样品产生的等离子体辐射光由采集头6收集并传输至光谱仪10(andor technology，mechelle5000，波长范围200～975nm，分辨率λ/
△
λ＝5000)进行分光，iccd 9(andor technology，istar dh-334t，1024
×
1024像素)对光谱仪传过来的光谱信号进行光电转换。聚焦透镜3(焦距15cm)焦点位于样品表面以下2mm处以防止空气击穿。为获得最佳的光谱强度和光谱信背比，激光脉冲能量设为60mj，iccd延时和门宽分别设为2μs和5μs。
28.在本实施例中，样品采集区4如图2所示，包括载玻片14，载玻片14为洁净的载玻片，采用二氧化硅材质，不含有待测过渡金属元素。载玻片14的上表面布置若干个待检测样品13，随着基带运动，激光聚焦镜依次对待检测样品13进行烧蚀，形成样品烧蚀区12，样品烧蚀区12的点阵为单次采集光谱区域，黑色点位为激光烧蚀点，烧蚀区大小为8
×
10mm。每一幅光谱都由覆盖矩形区的100个脉冲积累而成。
29.利用本实用新型进行锂电池电解液中过渡金属离子的检测的流程如图3所示，包
括待测元素的谱线强度和含量的关系定标和过渡金属离子检测两个阶段。
30.待测元素的谱线强度和含量的关系定标的步骤包括：
31.1)将含特定过渡金属氧化物的极片或粉体材料在标准电解液中预定温度下浸泡预定时间，制备6个浓度梯度的定标电解液；过渡金属氧化物材料包括锰酸锂(lmo)、钴酸锂(lco)、磷酸铁锂(lfp)、三元材料、富锂材料等电极材料；标准电解液的组成是碳酸乙烯酯(ec)、碳酸二甲酯(dmc)、六氟磷酸锂(lipf6)；
32.2)使用移液枪吸取5μl的定标电解液，滴于洁净的载玻片14表面，经过干燥处理，获得分析样品；样品干燥方式可以采用自然风干，也可通过电热板加热蒸发；
33.3)激光器1输出激光光源，经激光反射镜2、激光聚焦镜3后入射样品采集区4上的分析样品，烧蚀样品产生的等离子体辐射光由采集头6收集并传输至光谱仪10分光，iccd 9对光谱仪10输出的光谱信号进行光电转换后通过数据线8输入至计算机7；
34.4)计算机7根据待测过渡金属离子元素的特征谱线强度和含量的关系，建立标准工作曲线，保存在定标曲线数据库中；过渡金属离子包括锰离子、钴离子、镍离子、铁离子等过渡金属离子。定标电解液的特征谱峰的强度值获取为直接获得的特征谱峰的强度，或者为由相应谱峰所包含的积分面积值。
35.过渡金属离子检测的步骤包括：
36.1)使用移液枪吸取5μl的待检测电解液，滴于洁净的载玻片14表面，经过干燥处理，获得待检测样品；样品干燥方式可以采用自然风干，也可通过电热板加热蒸发；
37.2)激光器1输出激光光源，经激光反射镜2、激光聚焦镜3后入射样品采集区4上的待检测样品，随着基带向前运动，待检测样品依次烧蚀，形成样品烧蚀区12，烧蚀样品产生的等离子体辐射光由采集头6收集并传输至光谱仪10分光，iccd 9对光谱仪10输出的光谱信号进行光电转换后通过数据线8输入至计算机7，进行libs光谱采集，得到待测元素特征谱峰的强度；
38.3)计算机7调取数据库中待测元素的工作曲线，代入待测元素的特征谱峰强度，计算待测电解液中过渡金属离子的浓度。
39.使用本实用新型提出的激光诱导击穿光谱检测电池电解液中离子的装置采集电解液中过渡金属离子光谱信号的特征光谱图如图4和图5所示，图4为元素fe的激光诱导击穿光谱图，图5为元素mn的激光诱导击穿光谱图，清楚地展示了元素fe、元素mn谱线强度和含量的关系，给出量化标准，为锂电池电解液中过渡金属离子的分析提供可靠基础。