CN104165916B - 用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置；包括电池上盖、电池下盖、石英光学窗口、内衬套、电极部分、电极压环和导电连接部分；其特征是：电池上盖上的石英光学窗口的位置低于电池上盖注液口底部位置，使其内部形成环形气室，保证电极与石英光学窗口间不留存气体；气室直接连通电池上盖上均布的注液孔，注入的电解液应使液面高于石英光学窗口而又不充满气室。研究电极与石英玻璃之间的距离可由内衬套上部高度调控，以满足不同光学测试方法的要求；电极压环和内衬套以螺扣方式连接，便于调节研究电极与对电极之间的距离。模拟电池可以实现在现场电化学测量时的同步原位光学、光力学的测量。

Description

用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别是涉及光力学-电化学和光-电化学等测量领域。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等突出优点，近些年一直是二次电池中的研发热点。各类锂离子电池已经在便携式电子产品和通讯工具等领域占据了主要市场，并且正逐步被开发推广应用于空间和动力电池。

在锂离子电池中，电极充放电过程中锂的嵌入和脱出会引发电极材料的“体积效应”，最终导致电极的活性材料自身粉化、电极结构损伤，进而影响电池的循环寿命。长期以来许多电化学工作者致力于研究锂嵌入和脱出所致的电极结构变化特点，但因为学科和测量手段的限制，难以得到满意的信息。而最近，随着能源环境问题的日益突出以及先进光-力学测量技术的发展，一些光-力学方面的研究人员开始致力于这方面的研究，并取得了很有价值的研究成果。有代表性的如V.A.Sethuraman团队^[1,2]，他们在带有光学窗口的模拟电池装置上实现了微梁变形的原位光测实验，将硅晶片作为电极，通过光测法由弯曲变形推算了嵌锂/脱锂过程中硅薄膜的电极应力演化与弹塑性变形。拉曼光谱在研究力学-电化学微观机理的光侧实验中具有独特优势^[3]，它能给出由于电池充放电引起的电极结构宏观变形与晶格结构微观变形相关联的实验信息，同时可以在微米尺度定量给出由于晶格结构变化所致的应力值，从而为最大程度的优化电极结构提供理论依据。

据此，建立可实现原位在线测量的力学-电化学联合测试系统是重要的。

参考文献：

[1]M.J.Chon,V.A.Sethuraman,et al.,Real-time measurement of stress and damage evolution during initiallithiation of crystalline silicon,Physical Review Letters,2011,107:045–503.

[2]V.A.Sethuraman,M.J.Chon,et al.,In situ measurements of stress evolution in silicon thin films duringelectrochemical lithiation,Journal of Power Sources,2010,195(15):5062–5066.

[3]Q.S.Yang,C.Q.Cui,X.Z.Lu,A general procedure for modeling physicochemical coupling behavior ofadvanced materials,Multidisciplinary Modeling,2005,1(3):223–230.

发明内容

本发明的目的是提供一种用于现场光学-电化学、光力学-电化学等综合测量系统的模拟电池装置。

该测试系统中模拟电池装置是重要部件。它应具备的基本条件是：带有石英光学窗口可用于各类光谱的在线测量；电极的性质及结构应接近于真实电池体系，工作状态可由电池测试仪、电化学工作站等仪器控制；电池结构的设计应能避免电池安装及工作时的状态变化(如内部气体等因素)对光学测量造成的干扰；电池的安装操作方便、安全。目前，满足上述条件的模拟电池装置还未见报道。本发明研制的一种模拟电池装置均满足上述要求。

本发明的技术方案如下：

一种用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置，包括电池上盖、电池下盖、石英光学窗口、内衬套、电极部分、电极压环和导电连接部分；其特征是：电池上盖上的石英光学窗口的位置低于电池上盖注液口底部位置，使其内部形成环形气室，保证电极与石英光学窗口间不留存气体；气室直接连通电池上盖的均布的注液孔，注入的电解液应使液面高于石英光学窗口而又不充满气室。

内衬套上方有供光通过的窗口，内衬套侧面均布电解液流通孔，电解液通过电解液流通孔、电极压环上均布的通孔、石英片与电极表面的缝隙、气室实现贯通。

电极部分由研究电极、隔膜和对电极三部分组成，依次平行于内衬套窗口排列；对电极与电极压环紧密接合，通过电极压环、导电螺丝与外接仪器连接；研究电极的连接线经研究电极引线槽、内衬套上的电解液流通孔引出，依次通过导电螺丝、导电环和导电螺丝与外接仪器连接。

对电极电池上盖和电池下盖连接处通过O型圈密封。

所述的电池上盖采用不锈钢、尼龙、聚四氟乙烯、或偏氟乙烯材料；石英窗口采用普通石英玻璃，粘在电池上盖的窗口处；电池下盖采用尼龙、聚四氟乙烯、偏氟乙烯等绝缘材料；内衬套采用尼龙、聚四氟乙烯、偏氟乙烯等绝缘材料；嵌入内衬套底部的导电环和电极压环采用铜或不锈钢的导电材料。

用于现场光力学测量的模拟电池装置安装方法，如图3所示，首先将导电环(13)嵌入内衬套底部的环形槽内，螺孔对齐、用两个螺丝(12)将两者固定；将研究电极放入内衬套，研究电极的引线通过引线槽(21)、通孔(10)与两个螺丝(12)中的任一个连接；然后依次放置隔膜和对电极；把电极压环(7)旋入内衬套，然后整体嵌入电池上盖，再与带密封圈的电池下盖拧紧；最后，分别把连接两个电极的导电螺丝从电池下盖底部的孔插入拧紧；由注液口注入电解液，至光学窗口无气泡，然后注液口螺丝加O型圈，拧紧密封。

作用说明如下：

电池装置带有石英光学窗口(3)，实现在现场电化学测量条件下的同步原位光学、光力学的现场测量；

气室(4)，汇集在手套箱内安装电池时进入电池的惰性气体以及电池工作时产生的气体。通过注液孔(9)注入的电解液的液面高于石英光学窗口而又不充满气室，确保石英玻璃和电极表面之间充满电解液(无气泡)。

所述的模拟电池装置由电化学工作站、电池测试仪等控制电极的工作状态。

本发明模拟电池装置的实物效果图如本发明附图2所示。电池上盖为不锈钢材料，电池下盖为尼龙材料，电极压环、内衬套底部的导电环、导电螺丝的等均采用铜材料。

本发明的所述的模拟电池装置的新颖性和实用性体现在如下几个方面：

1)可以实现模拟电池在电化学现场测量(充放电循环测量、循环伏安测量等)时同步进行光学、光力学的现场测量；

2)本发明模拟电池的气室设计可将手套箱内安装电池装置时进入电池的惰性气体以及电池工作时产生的气体排至气室，使石英玻璃和电极表面之间充满电解液(无气泡)，满足光学及光力学测量时要求的介质条件；

3)本发明研究电极与石英玻璃之间的距离可由内衬套上部高度调控，以满足不同光学测试方法的要求；电极压环和内衬套以螺扣方式连接，便于调节研究电极与对电极之间的距离，满足光力学-电化学测量的要求；

4)本发明模拟电池正负极引线直接由导电部件引出，电池内阻低，且电池工作时外壳不带电，操作方便、安全。

5)本发明模拟电池安装简便、在手套箱内操作无障碍。

附图说明

图1(a)是模拟电池装置剖面图；

图1(b)是电极结构图；

图2(a)是模拟电池装置实物上部效果图；

图2(b)是模拟电池装置实物底部效果图；

图3是模拟电池装置主要部件图；

图4是模拟电池的典型工作曲线。

1—电池上盖，2—电池下盖，3—石英光学窗口，4—气室，5—内衬套，6—电极部分，7—电极压环，8—导线连接部分，9—注液孔，10—电解液流通孔，11—通孔，12—导电螺丝，13—导电环，14—导电螺丝，15—导电螺丝，16—O型圈，17—内衬套窗口，18—研究电极，19—隔膜，20—对电极，21—研究电极引线槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

如图3所示：模拟电池部件包括：电池上盖、内衬套、导电环、电极压环和电池下盖。电池上盖为不锈钢材料，电池下盖为尼龙材料，电极压环、内衬套底部的导电环、导电螺丝的等均采用铜材料。

位于电池上盖中心的石英窗口采用普通石英玻璃，用环氧树脂粘在电池上盖(1)的窗口处，满足光学、力学等测量要求。石英光学窗口的位置低于电池上盖注液口底部位置，使电池上盖内部形成环形的气室，且气室靠近石英窗口一侧设计呈圆锥形，如图1、图2-a和图3所示，以不遮挡光路。

将导电铜环(13)嵌入内衬套(5)底部的环形槽内，用两个导电螺丝(12)将两者固定；内衬套上部侧面均布4个电解液流通孔(10)为电解液通道，其中任选一个兼做研究电极的引线通道。

电极部分(6)，包括研究电极、隔膜、对电极，先将研究电极放入内衬套，研究电极的引线通过引线槽(21)、通孔(10)与两个螺丝(12)中的任一个连接；然后依次叠放隔膜和对电极；把电极压环旋入内衬套，直至旋紧；最后整体嵌入电池上盖，再与带密封圈的电池下盖拧紧。

最后，分别把连接两个电极的导电螺丝从电池下盖底部的孔插入拧紧；由注液口注入电解液，至与光学窗口接触的电解液无气泡，然后将注液口用加O型圈的螺丝，拧紧密封。

装备完整的装置的剖面图如图1所示：包括电池上盖(1)、电池下盖(2)、石英光学窗口(3)、气室(4)、内衬套(5)、电极部分(6)、电极压环(7)和导电连接部分(8)；电池上盖(1)上的石英光学窗口(3)的位置低于电池上盖注液口(9)底部位置，使内部形成环形气室(4)，保证电极与石英光学窗口间不留存气体；气室直接连通电池上盖的2个均布的注液孔(9)，注入的电解液应使液面高于石英光学窗口而又不充满气室；内衬套(5)上方有供光通过的窗口(17)，内衬套(5)侧面均布4个电解液流通孔(10)，其与电极压环上均布的4个通孔(11)以及石英片与电极表面的缝隙等实现与气室中电解液的贯通；电极部分(6)由研究电极(18)、隔膜(19)和对电极(20)三部分组成，依次平行于内衬套窗口(17)排列，如图1-b所示；对电极与电极压环(7)紧密接合，通过电极压环(7)、导电螺丝(15)与外接仪器连接；研究电极的连接线经研究电极引线槽(21)、通孔(10)引出，依次通过导电螺丝(12)、导电环(13)和导电螺丝(14)与外接仪器连接；对电极电池上盖和电池下盖连接处通过O型圈(16)密封。

本发明模拟电池装置实物效果见本发明附图2a、2b所示，图片上部可见石英光学窗口和两个注液口，正负极导线由电池下部引出。

模拟电池的典型工作曲线见附图4。研究电极和对电极分别为刮浆法制备的软碳电极和锂箔电极，多孔聚丙烯膜(Celgard2000)作隔膜。电解液为金牛电源材料有限公司市售1mol/L六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯+碳酸二乙酯(体积比1:1，)。电池的电化学性能测试在武汉金诺电子有限公司CT2001A电池测试仪上进行，0.1倍率充放电循环，图中数据为模拟电池第8次和第9次的充放电过程中模拟电池电压值随时间的变化，可以看出电池良好的充放电工作效果。在电池进行电化学测试时，通过光学窗口可以即时实现现场光学、光力学的测量。

Claims (9)

1.一种用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置，包括电池上盖、电池下盖、石英光学窗口、内衬套、电极部分、电极压环和导电连接部分；其特征是：电池上盖上的石英光学窗口的位置低于电池上盖注液口底部位置，使其内部形成环形气室，保证电极与石英光学窗口间不留存气体；气室直接连通电池上盖均布的注液孔，注入的电解液应使液面高于石英光学窗口而又不充满气室。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是内衬套上方有供光通过的窗口，内衬套侧面均布电解液流通孔；电解液通过电解液流通孔、电极压环上均布的通孔、石英片与电极表面的缝隙、气室实现贯通。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是电极部分由研究电极、隔膜和对电极三部分组成，依次平行于内衬套窗口排列；对电极与电极压环紧密接合，通过电极压环、导电螺丝与外接仪器连接；研究电极的连接线经研究电极引线槽、内衬套的电解液流通孔引出，依次通过导电螺丝、导电环和导电螺丝与外接仪器连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是对电极电池上盖和电池下盖连接处通过O型圈密封。

5.如权利要求1所述的装置，其特征是电池上盖采用不锈钢、尼龙、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材料。

6.如权利要求1所述的装置，其特征是石英窗口采用普通石英玻璃，粘在电池上盖的窗口处。

7.如权利要求1所述的装置，其特征是电池下盖采用尼龙、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材料。

8.如权利要求1所述的装置，其特征是内衬套采用尼龙、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材料。

9.如权利要求1所述的装置，其特征是嵌入内衬套底部的导电环和电极压环采用铜或不锈钢材料。