CN104297274B - 一种测试电化学反应过程的原位xrd反应室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试电化学反应过程的原位XRD反应室，包括一固定座、设置于固定座上的负极座、正极座和测试窗口，所述的负极座包括螺纹方式的负极底座和负极旋盖，负极旋盖上开设有第一通孔，在负极旋盖内腔中设有和负极基体；负极底上开设有2个以上的气孔和一负极引线柱，所述气孔底端设有密封塞，所述负极引线柱的一端与负极基体接触，另一端伸出负极底座；所述的正极座包括环形旋盖、设置于其上的正极基体和正极引线柱，正极基体设置于环形旋盖上的第二通孔中；在负极底座与负极旋盖构成的空隙中，填充有电解液；测试窗口设置于环形旋盖的顶端，其底端与正极基体的顶端之间留有间隙。本发明结构简单，适用于两电极体系和三电极体系。

Description

一种测试电化学反应过程的原位XRD反应室

技术领域

本发明涉及一种测试电化学反应过程的原位XRD反应室，属于原位XRD测试技术领域。

背景技术

原位XRD(XRD即X射线衍射仪)测试技术是目前发展最快的一种XRD测试技术。原位XRD顾名思义是让样品不动，测量同一样品在不同的条件(如温度，电流电压、气氛等)下的衍射图谱。原位测试的优点在于能即时监控样品在条件改变时所发生的变化，能真实地反应体系在给定条件下的实际变化。对于原位XRD测试，则能真实地监测样品内部结构随反应条件(温度、电流电压、气氛)的变化，知道样品内部结构和反应条件的对应关系后就可以推测样品变化的真实过程。原位XRD技术可以用于研究反应的机理、相变的具体发生过程以及催化剂的催化机理等。因此，开发扩展X射线衍射仪的测试功能，加大原位XRD测试技术对研究反应动力学、电极过程、催化机理以及界面反应具有重要的意义。

原位XRD测试在对电池材料的性能研究方面也具有独到的作用。在电池充放电过程中，测试电极材料的原位XRD可以直接观测到电极材料结构随充放电进行的变化过程，可以避免非现场XRD所面临的一系列问题，或电池材料在拆卸以及转移过程，尤其是暴露在空气中可能发生的变化。原位XRD技术是证实电极充放电过程中材料是否存在相变的有力手段，有利于研究电极过程的机理。

在进行原位XRD测试时，光源和反应室是两个关键因素。在XRD测试仪固定即光源固定的情况下，反应室(或装载样品夹具)成为原位XRD测试的关键因素。

对于原位XRD反应室，目前已商品化的是奥地利Anton Paar公司的XRK900反应室，它是专门设计用来进行原位X射线衍射试验的反应室，但是其价格昂贵，维修不方便，更重要的是，不同反应体系外型有较大的差别，如对于电池材料充放电时的原位XRD测试，存在电池集流体的引出，在研究催化剂在不同气氛下的催化原理时要有气氛的通入导出，现有的原位反应室就很难满足上述这些体系原位XRD测试要求。目前，国内外已经设计出一些原位XRD反应室，特别是用于电化学现场分析的反应室，但它们的结构过于复杂，而且这些原位XRD反应室只局限于原位XRD电化学反应室，功能较为单一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测试电化学反应过程的原位XRD反应室。该反应室结构简单，不仅适用于两电极体系，还可适用于三电极体系的原位XRD测试。

本发明所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，包括一固定座，还包括设置在固定座上的负极座和设置于负极座上方的正极座，以及设置在正极座顶端的测试窗口；

所述的负极座包括负极底座和负极旋盖，两者以螺纹方式连接，所述负极旋盖上开设有第一通孔，在负极旋盖内腔的顶部设置有一层隔膜，隔膜的底端与负极旋盖上第一通孔设置位置正对的位置设置有负极基体；所述负极底座固定于固定座上，在负极底座上开设有2个以上的贯穿负极底座纵向高度的气孔，所述气孔的底端设置有用于封堵气孔的密封塞，在负极底座上还设置有负极引线柱，该负极引线柱的一端穿过负极底座伸入负极旋盖的内腔与负极旋盖内腔中的负极基体接触，另一端伸出负极底座；

所述的正极座包括环形旋盖、设置于其上的正极基体和正极引线柱，所述的环形旋盖螺纹连接于所述负极旋盖的外周壁上，在环形旋盖上与负极旋盖上第一通孔开设位置正对的位置开设有第二通孔，所述的正极基体设置于该第二通孔中，当正极座螺纹连接于负极座上时，该正极基体的一部分伸入负极旋盖上的第一通孔中且其底端与所述的隔膜接触；在负极底座与负极旋盖构成的空隙中，填充有电解液；

所述的测试窗口设置于构成正极座的环形旋盖顶端，且测试窗口的底端与正极基体的顶端之间留有间隙。

上述技术方案中，为了使负极基体能较好的固定于负极底座上，优选是在负极底座上与负极旋盖上第一通孔设置位置正对的位置上开设一凹槽，将所述的负极基体置于该凹槽中。

上述所述的原位XRD反应室适用于两电极体系的原位XRD测试，当要使上述反应室适用三电极体系的原位XRD测试时，需要将其中一个气孔中的密封塞用参比电极替代，此时参比电极设置于所述的气孔中并能够与填充在负极底座与负极旋盖构成的空隙中的电解液接触，而且要保证参比电极与气孔内壁之间的密封性，通常情况下，在气孔的内壁开设内螺纹，同时在参比电极的外壁开设外螺纹，使参比电极与气孔通过螺纹连接以避免填充的电解液漏出。

上述技术方案中，所述的正极基体包括正极载体和承载于其上的正极活性物质；为了便于固定正极活性物质，同时使电解液能顺利渗入到负极底座与负极旋盖构成的空隙中，本发明中优选采用铜网作为正极载体；正极活性物质可以通过现有技术中的填充、粘接等方式直接承载到正极载体上；所述的负极基体包括负极集流体和承载于其上的负极活性物质，负极集流体优选采用铜箔材，负极活性物质可通过现有技术中的涂覆或沉积等方式负载到负极集流体上。

本发明所述的技术方案中，所述的负极活性物质、正极活性物质、隔膜、电解液、电池的组装均与现有技术相同。

本发明所述的技术方案中，正极引线柱、负极引线柱的材质与现有常规技术相同。

本发明所述的原位XRD反应室，其中的固定座和负极座通过以聚四氟乙烯(PTEE)材质制成，正极座采用金属铜材质制成，所述的测试窗口通常为金属铍制成的圆形薄片状，大小以能够覆盖住正极座的环形旋盖为宜。

本发明所述的技术方案中，负极引线柱与负极底座之间以螺纹连接的方式连接，具体可以是在负极底座上开设一个贯穿负极底座纵向高度的螺纹通孔，同时在负极引线柱的外壁上开设外螺纹，从而实现两者的螺纹连接，以方便调节负极引线柱穿过负极底座伸入负极旋盖内腔中的高度。

本发明所述的技术方案中，通常是在负极底座上开设有2个气孔，此时将反应室用于三电极体系且是保护气氛下的原位XRD测试时，可以先从其中一个气孔通入保护气氛，将原有空气或其它气氛从另一个气孔中排出，待负极底座与负极旋盖构成的空隙中充满保护气氛时再将参比电极插入其中一个气孔(通常是排气孔)中，然后用密封塞封堵另一个气孔。

本发明所述的技术方案中，所述的测试窗口可以通过固定连接或活动连接的方式安装于环形旋盖上，通常采用粘接剂粘接于环形旋盖的顶端。

与现有技术相比，本发明结构简单，易于组装和拆卸，不仅适用于两电极体系的原位XRD测试，只需要将其中一个气孔中的密封塞用参比电极替代，配合工作电极(负极引线柱)、对电极(正极引线柱)形成三电极体系，形成新的测量回路即可适用于三电极体系的原位XRD测试，可以同时控制电流和电位；X射线透过测试窗口射到待测的正极活性物质上，然后反射到XRD的探测器上，探测器再以XRD谱的形式将其信号变化反映到计算机上，从而精确测试出样品在电化学过程发生的微小变化。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的剖示图；

图中标号为：

1、固定座；2负极底座；3负极旋盖；4负极引线柱；5密封塞；6参比电极；7正极座；8隔膜；9负极基体；10正极基体；11测试窗口；12正极引线柱。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，包括一固定座1，设置在固定座1上的负极座和设置于负极座上方的正极座7，以及设置在正极座7顶端的测试窗口11；其中：

所述的固定座1呈中空柱形，在固定座1中下部的内壁面上设有一道环形凸卡；

所述的负极座包括负极底座2和负极旋盖3，两者以螺纹方式连接，所述负极旋盖3的中部开设有第一通孔，在负极旋盖3内腔的顶部设置有一层隔膜8，该隔膜8的顶端与旋盖内腔的顶部相接触，所述隔膜8的底端与负极旋盖3上第一通孔设置位置正对的位置设置有负极基体9，该负极基体9由负极集流体和承载于其上的负极活性物质构成；所述负极底座2的外口径与固定座1的内口径相匹配，该负极底座2置于固定底座的环形凸卡上，在负极底座2上与负极旋盖3上第一通孔设置位置正对的位置上开设一凹槽(凹槽的大小与负极基体9相匹配)，所述的负极基体9置于该凹槽中；在负极底座2上还开设有2个贯穿负极底座2纵向高度的气孔，其中一个气孔的底端设置有用于封堵气孔的密封塞5，另一个气孔的内壁开设有内螺纹，其内设有参比电极6，该参比电极6的表面设有外螺纹，与上述气孔以螺纹连接的方式连接在一起；在负极底座2上还开设有一个用于安装负极引线柱4的螺纹通孔，该螺纹通孔贯穿负极底座2纵向高度，所述的负极引线柱4的外壁上开设外螺纹，与螺纹通孔以螺纹连接的方式连接在一起，该负极引线柱4的一端穿过负极底座2伸入负极旋盖3的内腔与负极旋盖3内腔中的负极基体9相接触，另一端伸出负极底座2；

所述的正极座7包括环形旋盖、设置于其上的正极基体10和正极引线柱12，所述的正极基体10由正极载体和承载于其上的正极活性物质构成，所述环形旋盖的内口径与负极旋盖3的外口径相匹配，以螺纹连接的方式装设于所述负极旋盖3的外周壁上，在环形旋盖上与负极旋盖3上第一通孔开设位置正对的位置开设有第二通孔，该第二通孔的环形内壁上开设有一道环形凹槽，所述的正极基体10卡接于该环形凹槽中，当正极座7螺纹连接于负极座上时，该正极基体10的一部分伸入负极旋盖3上的第一通孔中且其底端与所述的隔膜8接触；所述的正极引线柱12从环形旋盖的外周壁上引出；在负极底座2与负极旋盖3构成的空隙中，填充有电解液；

所述的测试窗口11为采用金属铍制成的圆形薄片，其大小与环形旋盖的大小相匹配，通过粘接剂粘接于所述环形旋盖的顶端，所述测试窗口11的底端与承载有正极活性物质的正极基体10的顶端之间留有间隙。

上述实施方式中，所述的固定座1和负极座以聚四氟乙烯(PTEE)材质制成，正极座7采用金属铜材质制成，所述正极引线柱12和负极引线柱4均为铜材质。

上述实施方式中，所述的负极活性物质、正极活性物质、隔膜8以及电池的组装均与现有技术相同；采用铜网作为正极载体，所述的正极活性物质通过填充或粘接等方式直接承载到正极载体上；所述的负极集流体采用铜箔材制作，负极活性物质通过涂覆或沉积等方式负载到负极集流体上。

具体装配时，先按现有常规技术将负极活性物质涂覆或沉积于负极集流体上形成负极基体9，同时将正极活性物质填充或粘附于正极载体(铜网)上形成正极基体10。在负极底座2上安装好负极引线柱4、密封塞5和参比电极6，将负极基体9置于负极底座2上的凹槽中，然后旋扭负极引线柱4使其抵住负极基体9的底部，然后在负极基体9的上端面铺设隔膜8，再将负极旋盖3旋旋紧，此时负极基体9正好位于负极旋盖3上第一通孔的正下方；从第一通孔处加入电解液；然后将正极基体10卡接于第二通孔内壁面上的环形凹槽中，再将整个正极座7旋扭于负极旋盖3上并旋紧，此时正极基体10的一部分伸入负极旋盖3上的第一通孔中且其底端与所述的隔膜8接触；之后将测试窗口11用胶粘接剂粘接于正极座7的环形旋盖上，并保证测试窗口11的底端与正极基体10的顶端之间留有间隙；然后将负极引线铜柱调至适当高度，再将装好的正、负极座整体置于固定座1的环形凸卡上，并根据所测试样品的要求将负极引线柱4、正极引线柱12、参比电极6对应接于电化学工作站上，再把组装好的反应室固定在X射线衍射仪的样品台位置。然后依次启动X射线衍射仪和电化学工作站，并按测试要求设定相关参数，即可进行测试。

Claims (6)

1.一种测试电化学反应过程的原位XRD反应室，包括一固定座(1)，其特征在于：还包括设置在固定座(1)上的负极座和设置于负极座上方的正极座(7)，以及设置在正极座(7)顶端的测试窗口(11)；

所述的负极座包括负极底座(2)和负极旋盖(3)，两者以螺纹方式连接，所述负极旋盖(3)上开设有第一通孔，在负极旋盖(3)内腔的顶部设置有一层隔膜(8)，隔膜(8)的底端与负极旋盖(3)上第一通孔设置位置正对的位置设置有负极基体(9)；所述负极底座(2)固定于固定座(1)上，在负极底座(2)上开设有2个以上的贯穿负极底座(2)纵向高度的气孔，所述气孔的底端设置有用于封堵气孔的密封塞(5)，在负极底座(2)上还设置有负极引线柱(4)，该负极引线柱(4)的一端穿过负极底座(2)伸入负极旋盖(3)的内腔与负极旋盖(3)内腔中的负极基体(9)接触，另一端伸出负极底座(2)；

所述的正极座(7)包括环形旋盖、设置于其上的正极基体(10)和正极引线柱(12)，所述的环形旋盖螺纹连接于所述负极旋盖(3)的外周壁上，在环形旋盖上与负极旋盖(3)上第一通孔开设位置正对的位置开设有第二通孔，所述的正极基体(10)设置于该第二通孔中，当正极座(7)螺纹连接于负极座上时，该正极基体(10)的一部分伸入负极旋盖(3)上的第一通孔中且其底端与所述的隔膜(8)接触；在负极底座(2)与负极旋盖(3)构成的空隙中，填充有电解液；

所述的测试窗口(11)设置于构成正极座(7)的环形旋盖顶端，且测试窗口(11)的底端与正极基体(10)的顶端之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，其特征在于：其中一个气孔中的密封塞(5)用参比电极(6)替代。

3.根据权利要求1或2所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，其特征在于：所述的正极基体(10)包括正极载体和承载于其上的正极活性物质。

4.根据权利要求1或2所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，其特征在于：所述的负极基体(9)包括负极集流体和承载于其上的负极活性物质。

5.根据权利要求1或2所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，其特征在于：所述的测试窗口(11)为金属铍制成的薄片。

6.根据权利要求1或2所述的测试电化学反应过程的原位XRD反应室，其特征在于：所述负极底座(2)上开设有2个气孔。