CN103033474A - 电化学光学联用原位研究光谱池 - Google Patents

电化学光学联用原位研究光谱池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电化学光学联用原位研究光谱池，包括池体（5）、半圆柱形晶体透光窗片(1)、样品台(8)和参比电极（9），所述的半圆柱形晶体透光窗片(1)的底平面镀有一层厚度为纳米级的活性物质薄膜作为工作电极（12），所述的工作电极（12）引出有导线，所述的样品台(8)设于与所述的工作电极（12）相对的所述的池体（5）的底部，所述的参比电极（9）通过导电胶固定在所述的样品台(8)上与所述的工作电极（12）相对设置，所述的参比电极（9）引出有导线。本发明能避免溶液对光谱信号的吸收，可模拟真实的电化学反应，可与光谱检测仪联用,入射光线能够从较小角度(15°)开始连续可调，池体中的液体可流动更新。

Description

电化学光学联用原位研究光谱池
技术领域
本发明涉及一种光谱池，特别是涉及一种电化学与光学联用的原位检测电化学反应过程中电极固液界面分子行为的光谱池。
背景技术
锂离子电池在首次及前几次的充放电过程中，负极表面会形成一层钝化膜，称之为SEI膜。SEI膜可以让锂离子通过，却不能让电子通过，可以阻止溶剂分子在电极表面的进一步嵌入，从而对提高锂离子电池的循环性能、倍率性能、可逆容量以及安全性能都有十分重要的作用。
由于SEI膜对锂离子电池有非常重要的作用，已经越来越引起人们的关注。虽然人们已经对SEI膜进行了大量的研究，但大多数的研究都是非在线的，非在线的研究方法有如下缺点：
1.由于SEI膜组成与结构对环境的敏感性，不能准确反映电极反应过程中甚至是结束后SEI膜的原位状态。
2.即使能反映SEI膜的最终组成，但不能反映电极过程中电极界面SEI膜的具体形成过程和动态演变机理。
3.无法获得电极反应过程中溶液一侧的界面微观信息，如双电层结构的变化规律和分子行为，及其与SEI膜形成和演变的相互关系。
4.无法解析电极界面微观行为与电极过程动力学和热力学宏观参数的相互影响机制。
所以，在线研究锂离子电池负极表面SEI膜的形成机理是当前SEI膜研究的热点，只有采用在线研究的方法，才能深入解析电极在不同工作状态下（如电极电位、电流密度、工作温度、过充和过放等）电极反应中的微观过程，明确地调控SEI膜、双电层等界面结构，认识电池性能的宏观差别的微观机理，打破宏观层面认识的局限性，为高效地提高电池性能提供新的理论指导。
中国科学院化学研究所提出一种原位薄层光谱电化学反应池，采用半圆柱形氟化钙晶体作为窗片，可以适应多个入射光角度，同时通过螺纹对工作电极的调节，使得窗片与工作电极之间的距离减小到8微米左右，极大地减少了溶液对光谱信号的吸收，可以有效地对电化学体系进行原位的光谱表征(CN 102539328A)，但是这样溶液仍会对光谱信号产生一定的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能避免溶液对光谱信号的吸收的电化学光学联用原位研究光谱池。
为了解决上述技术问题，本发明提供的电化学光学联用原位研究光谱池，包括池体、半圆柱形晶体透光窗片、样品台和参比电极，所述的半圆柱形晶体透光窗片的底平面镀有一层厚度为纳米级的活性物质薄膜作为工作电极，所述的样品台设于与所述的工作电极相对的所述的池体的底部，所述的参比电极通过导电胶固定在所述的样品台上与所述的工作电极相对设置。
所述的工作电极的材质采用ZnS、Si、SnS2中的一种，既可以满足锂离子的脱嵌，又有利于光线的透过，避免溶液对光谱信号的吸收。
所述的工作电极的厚度为50纳米～100纳米。
所述的半圆柱形晶体透光窗片的材质采用SiO2、CaF2、Al2O3中的一种，电化学光学联用原位研究过程中，既有利于光线的透过，又可以作为电化学反应中工作电极的集流体。
所述的样品台采用样品台紧固螺栓设于与所述的工作电极相对的所述的池体的底部。
所述的参比电极通过所述的样品台紧固螺栓引出有导线，所述的池体上设有导线引出口。
所述的样品台的高度可通过采用不同规格样品台的方法调节,以便调节电化学反应正负极片之间的距离。
上述的光谱池中，所述池体上有进液口与出液口，以便通过电解质的流动更新来维持电解质组分的稳定。
所述的样品台采用不锈钢制成，参比电极可以通过导电胶与样品台固定，然后通过紧固螺栓引出导线，工作电极也引出导线，从而光谱池可以与电化学工作站联用。
采用上述技术方案的电化学光学联用原位研究光谱池，工作原理是以固定在样品台上的电极作为对电极和参比电极，以镀在半圆柱形晶体透光窗片底平面的活性物质作为工作电极，通过将透光窗片与样品台上的导线与电化学工作站相连，模拟出电池工作体系，再通过透光窗片对固液界面进行原位光谱表征。
本发明同样采用半圆柱形晶体作为透光窗片，但是采用薄层活性物质作为工作电极，并且将活性物质直接镀在半圆柱形晶体透光窗片的底平面上，厚度仅为纳米级，这样在用光谱表征时就完全避免了溶液对光谱信号的吸收，并且可从样品台紧固螺栓和半圆柱形晶体透光窗片引出导线，从而实现光谱池与电化学工作站联用，可以更加有效地对电化学体系进行原位光谱表征。
综上所述，本发明是一种具有光谱检测窗口的电化学光学联用原位研究光谱池，通过半圆柱形晶体透光窗片以及薄层电极的设计，可用于测量电化学反应中电极界面（固/液界面）的光谱响应，并可避免溶液对光谱信号的吸收，通过对光谱响应进行解析，可掌握界面分子层的微观信息。
附图说明
图1为本发明的的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，半圆柱形晶体透光窗片1的材质采用SiO2、CaF2、Al2O3中的一种，半圆柱形晶体透光窗片1与池体5采用池盖11和池体紧固螺栓2、第一橡胶密封圈3连接，池体5设有进液口4和出液口10，半圆柱形晶体透光窗片1的底平面镀有一层活性物质薄膜作为工作电极12，作为工作电极12的活性物质薄膜的材质采用ZnS、Si、SnS2中的一种，工作电极12的厚度为50纳米～100纳米，工作电极12引出有导线，样品台8采用不锈钢制成，样品台8设有多种高度规格，样品台8采用样品台紧固螺栓7设于与工作电极12相对的池体5的底部，池体5与样品台8之间有第二橡胶密封圈13，密封参比电极9通过导电胶固定在样品台8上与工作电极12相对设置，参比电极9通过样品台紧固螺栓7引出有导线，池体5上设有导线引出口6。
下面通过实施例进一步描述本发明，本发明不仅限于所述实施例。
实施例1：
如图1所示，采用锂片作为参比电极9和对电极，通过导电胶固定在样品台8上，采用SiO2晶体作为工作电极集流体和半圆柱形晶体透光窗片1，在SiO2晶体的半圆柱形晶体透光窗片1底平面表面镀一层活性物质SnS2薄膜（厚度为100纳米）作为工作电极12，并把活性物质SnS2薄膜层朝下盖在池体5上，然后固定。工作电极12（即活性物质SnS2薄膜层）通过导电胶接出导线，参比电极9通过样品台紧固螺栓7接出导线，两个电极都通过导线与电化学工作站连接。调整光路，使得光谱测试仪的入射光线照在池盖中央的半圆柱形晶体透光窗片1中心位置，经过反射，光线被光谱测试仪接收器接收。
实施例2：
采用锂片作为参比电极9和对电极，通过导电胶固定在样品台8上，采用Al2O3晶体作为工作电极集流体和半圆柱形晶体透光窗片1，在Al2O3晶体的半圆柱形晶体透光窗片1的底平面表面镀一层活性物质Z n S薄膜（厚度为50纳米）作为工作电极12，并把活性物质ZnS薄膜层朝下盖在池体5上，然后固定。工作电极12（即活性物质ZnS薄膜层）通过导电胶接出导线，参比电极9通过样品台紧固螺栓7接出导线，两个电极都通过导线与电化学工作站连接。调整光路，经过反射，使得光谱测试仪的入射光线照在池盖5中央的半圆柱形晶体透光窗片1中心位置，光线被光谱测试仪接收器接收。
实施例3：
采用锂片作为参比电极9和对电极，通过导电胶固定在样品台8上，采用CaF2晶体作为工作电极集流体和半圆柱形晶体透光窗片1，在CaF2晶体的半圆柱形晶体透光窗片1的底平面表面镀一层活性物质Si薄膜（厚度为80纳米）作为工作电极12，并把活性物质Si薄膜层朝下盖在池体5上，然后固定。工作电极12（即活性物质Si薄膜层）通过导电胶接出导线，参比电极9通过样品台紧固螺栓7接出导线，两个电极都通过导线与电化学工作站连接。调整光路，使得光谱测试仪的入射光线以15°角度照在池盖5中央的半圆柱形晶体透光窗片1上，经过反射，光线被光谱测试仪接收器接收。

Claims (8)

1.一种电化学光学联用原位研究光谱池，包括池体（5）、半圆柱形晶体透光窗片(1)、样品台(8)和参比电极（9），其特征是：所述的半圆柱形晶体透光窗片(1)的底平面镀有一层厚度为纳米级的活性物质薄膜作为工作电极（12），所述的样品台(8)设于与所述的工作电极（12）相对的所述的池体（5）的底部，所述的参比电极（9）通过导电胶固定在所述的样品台(8)上与所述的工作电极（12）相对设置。
2.根据权利要求1所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的工作电极（12）的材质采用ZnS、Si、SnS2中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的工作电极（12）的厚度为50纳米～100纳米。
4.根据权利要求1或2所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的半圆柱形晶体透光窗片(1)的材质采用SiO2、CaF2、Al2O3中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的样品台(8)采用样品台紧固螺栓(7)设于与所述的工作电极（12）相对的所述的池体（5）的底部。
6.根据权利要求5所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的参比电极（9）通过所述的样品台紧固螺栓(7)引出有导线，所述的池体（5）上设有导线引出口（6）。
7.根据权利要求1或2所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的样品台(8)采用不锈钢制成。
8.根据权利要求1或2所述的电化学光学联用原位研究光谱池其特征是：所述的样品台(8)设有多种高度规格。
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