CN110146576A - 一种用于固体电解质的电化学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于固体电解质的电化学测试装置，包括支撑件、抵推件、移动抵推装置以及用于固定工作电极的电极固定件，支撑件包括用于对固体电解质竖向支撑的支撑部以及对固体电解质横向限位的限位部，限位部设在支撑部的一端。抵推件支撑在支撑部上，并能够沿支撑部的长度方向往复移动。移动抵推装置设在支撑件远离限位部的一端，并与抵推件固定，以带动抵推件的往复移动。本发明的电化学测试装置能够保证工作电极与固体电解质之间达到稳定的点接触，大大减小了测试误差，使得测试的结果一致性较高。

Description

一种用于固体电解质的电化学测试装置

技术领域

本发明属于电化学测试装置技术领域，具体涉及一种用于固体电解质的电化学测试装置。

背景技术

固体电解质作为一种重要的功能材料被广泛应用于燃料电池、电化学传感器等领域内，相比于液态电解质，固体电解质可以被制备成一定的形状，无需专门的储存容器，具有优良的机械性能，可靠地安全性等优点。目前对固体电解质的研究大多数集中在工作电极/固体电解质/气相三相界面，通过电化学测试装置来测试工作电极的电化学性能来研究固体电解质的界面性能。

但是，现有技术中的电化学测试装置大都用来测试液态电解质，用于测试固体电解质的装置很少，尤其采用微电极作为工作电极时，由于微电极的工作面积极小，在进行测试时很难保证工作电极与固体电解质之间形成稳定的点接触，往往容易造成测试误差较大，测试的结果一致性较差，甚至电化学工作站无法识别电信号而无法正常检测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于固体电解质的电化学测试装置，旨在解决现有技术中存在的采用微电极作为工作电极时工作电极与固体电解质的点接触不稳定、容易造成测试误差较大、测试的结果一致性较差、甚至无法正常检测的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种用于固体电解质的电化学测试装置，包括支撑件、抵推件、移动抵推装置以及用于固定工作电极的电极固定件；支撑件包括用于对固体电解质竖向支撑的支撑部以及对固体电解质横向限位的限位部，限位部设在支撑部的一端；抵推件支撑在支撑部上，并能够沿支撑部的长度方向往复移动；移动抵推装置设在支撑件远离限位部的一端，并与抵推件固定，以带动抵推件的往复移动；电极固定件支撑在支撑部上，并通过抵推件与限位部的配合将电极固定件夹设在抵推件与固体电解质之间，以使电极固定件上固定的工作电极在移动抵推装置的抵推作用下与固体电解质接触。

根据本发明，支撑件为管状物，抵推件可滑动地套设在管状物内；管状物的一端侧面开设有开口，管状物位于开口下方的管壁构成支撑部，管状物的一端的端面构成限位部。

根据本发明，电极固定件靠近限位部的一端渐缩成锥形；锥形的侧面上开设有第一出口和第二出口，电极固定件的内部设有供工作电极穿过的通道，且通道与第一出口和第二出口相对应。

根据本发明，移动抵推装置包括第一固定件、第二固定件以及夹设在第一固定件和第二固定件之间的弹性件；第一固定件与抵推件远离限位部的一端固定连接；第二固定件套设固定在支撑件上，且支撑件远离限位部的一端伸入到第一固定件和第二固定件之间；弹性件在抵推件与限位部相抵接时处于自然状态，在电极固定件上固定的工作电极与固体电解质接触时处于被拉伸状态。

根据本发明，还包括保护管；保护管内穿设有导线，导线的一端延伸至保护管的外部，另一端延伸至支撑件靠近限位部的一端。

根据本发明，还包括具有一密闭容置空间的反应器；支撑件中设置限位部的一端伸入容置空间内，另一端位于反应器的外部；保护管的一端伸入容置空间内，另一端位于反应器的外部。

根据本发明，反应器为石英管，支撑件、保护管、抵推件以及电极固定件的材质均为刚玉。

根据本发明，反应器为具有一端开口的管体，反应器的开口端设有塞体，支撑件和保护管均由塞体穿过。

根据本发明，反应器的两侧靠近开口端还分别设有进气口和出气口，进气口处连接有进气管，出气口处连接有出气管；进气管自进气口处延伸至反应器的内部底端，出气管自出气口延伸至反应器的外部。

根据本发明，保护管的另一端与导线接触处进行密封处理，支撑件伸出反应器的一端与抵推件之间滑动密封连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明中的电化学测试装置巧妙地通过电极固定件对工作电极进行固定，然后通过辅助固定棒的移动以机械力的方式给工作电极和固体电解质施加一个力，在移动抵推装置的抵推作用下通过抵推件与限位部的配合就能够使固体电解质与工作电极达到稳定的点接触。进而，即便工作电极采用微电极，在整个检测过程中都能够保证工作电极与固体电解质之间点接触的稳定性，大大减小了测试误差，使得测试的结果一致性较高，同时避免了因点接触不稳定导致电流过小而造成无法正常检测的现象。

附图说明

图1为如下实施例提供的电化学测试装置在未放置固体电解质时的纵向剖面图；

图2为如下实施例提供的电化学测试装置在放置固体电解质后的纵向剖面图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为如下实施例提供的电化学测试装置的整体结构示意图；

图5为如下实施例提供的采用三电极体系进行测试时的电路原理图。

【附图标记说明】

01：固体电解质；02：工作电极；03：辅助电极；04：参比电极；

1：反应器；

2：支撑件；21：开口(这里的开口是指管状物的一端侧面开设的开口)；22：抵推件；23：电极固定件；

3：保护管；31：导线；

4：移动抵推装置；41：第一固定件；42：第二固定件；43：弹性件；

5：管式炉；51：控温仪；6：电化学工作站。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1-图3，本申请提供一种用于固体电解质的电化学测试装置，包括支撑件2、抵推件22、移动抵推装置4以及用于固定工作电极02的电极固定件23。

其中，支撑件2包括用于对固体电解质01竖向支撑的支撑部以及对固体电解质01横向限位的限位部，限位部设在支撑部的一端。抵推件22支撑在支撑部上，并能够沿支撑部的长度方向往复移动。移动抵推装置4设在支撑件2远离限位部的一端，并与抵推件22固定，以带动抵推件22的往复移动。电极固定件23支撑在支撑部上，并通过抵推件22与限位部的配合将电极固定件23夹设在抵推件22与固体电解质01之间，以使电极固定件23上固定的工作电极02在移动抵推装置4的抵推作用下与固体电解质01接触。

具体而言，固体电解质01、工作电极02以及下述的辅助电极03和参比电极04均是在进行使用时安装在这个测试装置上的，并非是该测试装置本身的结构组成。在使用上述的电化学测试装置进行测试之前，先将抵推件22在移动抵推装置4的带动下沿远离限位部的方向移动，以为固体电解质01的放置留下空间。然后将工作电极02固定在电极固定件23上，并将工作电极02与固体电解质01形成点接触，之后将固体电解质01和电极固定件23一起放置在支撑部上，并使得固体电解质01紧靠着限位部放置。

之后将下述的保护管3内的导线31与预先设在固体电解质01上的辅助电极03(或者辅助电极03和工作电极02)连接后，再将抵推件22在移动抵推装置4的带动下沿靠近限位部的方向移动，此时抵推件22的一端就会抵靠在电极固定件23上，从而对工作电极02产生一个恒定的机械力，以确保工作电极02与固体电解质01之间的稳定接触。整个电化学检测装置连接完成后，再将下述的导线31的一端连接到电化学工作站6就可以开始检测了。

需要说明的是，上述的电化学测试装置主要适用于工作电极02采用微电极的情况，这里的微电极为工作面积很小的电极，主要是指电极的至少一维度的尺寸为微米或者纳米级的电极。由于工作面积很小，其与固体电解质01之间的很难构成稳定的点接触，因此采用上述的电化学测试装置可以很好的克服这一问题。当然，在实际应用中，对于其他工作电极02，例如较大的电极，也是可以适用于上述的电化学测试装置的，本申请对此不进行限定。

由此，本申请中的电化学测试装置巧妙地通过电极固定件23对工作电极02进行固定，然后通过抵推件22的移动以机械力的方式给工作电极02和固体电解质01施加一个力，在移动抵推装置4的抵推作用下通过抵推件22与限位部的配合就能够使固体电解质01与工作电极02达到稳定的点接触。进而，即便工作电极02采用微电极，在整个检测过程中都能够保证工作电极02与固体电解质01之间点接触的稳定性，大大减小了测试误差，使得测试的结果一致性较高，同时避免了因点接触不稳定导致电流过小而造成无法正常检测的现象。

在本申请的具体实施例中，为便于安装和使用，上述的支撑件2为管状物，抵推件22可滑动地套设在管状物内。管状物的一端侧面开设有开口21，管状物位于开口21下方的管壁构成支撑部，管状物的一端的端面构成限位部。当然，支撑件2也可以根据需要采用其他对固体电解质01构成支撑和限位的结构，本实施例中仅为举例说明。

需要说明的是，上述的限位部可以由管状物的自身端面形成；或者管状物的两端均开口时，也可以后期加工形成限位部。若需要在高温下进行检测时，加工形成的限位部一般采用高温胶进行固定，例如C2高温胶，以适应高温环境。

为了进一步增强工作电极02与固体电解质01之间点接触的稳定性，如图3所示，电极固定件23靠近限位部的一端渐缩成锥形，锥形的侧面上开设有第一出口和第二出口，电极固定件23的内部设有供工作电极02穿过的通道，且通道与第一出口和第二出口相对应。

具体而言，此时电极固定件23可以采用一端具有双孔的管体，工作电极02采用U形微电极。这样，工作电极02的两端分别穿入第一出口和第二出口，在锥形的尖锐端构成U形微电极的弯折段，用来与固体电解质01形成点接触，采用此种方式固定工作电极02，点接触更加稳定。

在具体实现方式中，上述的移动抵推装置4包括第一固定件41、第二固定件42以及夹设在第一固定件41和第二固定件42之间的弹性件43。

其中，第一固定件41与抵推件22远离限位部的一端固定连接，第二固定件42套设固定在支撑件2上，且支撑件2远离限位部的一端伸入到第一固定件41和第二固定件42之间。弹性件43在抵推件22与限位部相抵接时处于自然状态，在电极固定件23上固定的工作电极02与固体电解质01接触时处于被拉伸状态。

具体而言，第一固定件41和第二固定件42一般采用木板，弹性件43优选采用弹簧，一般在两个木板之间连接四根弹簧以保证结构的稳定性。

在未放置固体电解质01时，抵推件22与限位部相抵接，如图1所示，此时弹簧处于自然状态。当放置固体电解质01时，先通过一块间隔板将第一固定件41和第二固定件42之间的距离撑大，以使弹簧处于拉伸状态；然后将固体电解质01和电极固定件23放置在支撑部上后，再将间隔板拿开，此时弹簧收缩，带动抵推件22移动，进而给工作电极02施加一个力，如图2和图3所示，由于此时弹簧仍然处于被拉伸状态，能够持续给抵推件22一个恒定的力，进而保证了工作电极02与固体电解质01之间的稳定接触。

当然，上述的移动抵推装置4也可以采用其他的结构方式，以便于带动抵推件22的往复移动并能够给抵推件22提供一个持续的抵推力。

在实际应用中，上述的电化学测试装置还包括保护管3，保护管3内穿设有导线31，导线31的一端延伸至保护管3的外部，另一端延伸至支撑件2靠近限位部的一端。

具体而言，进行测试时所采用的电极体系可以是两电极体系，即由工作电极02和辅助电极03组成；也可以是三电极体系，即由工作电极02、辅助电极03和参比电极04组成，采用何种电极体系根据实际检测需要进行选择。使用时，导线31的一端与电化学工作站6进行连接，另一端与设在固体电解质01上的辅助电极03(或者辅助电极03和参比电极04)连接。对于电化学工作站6为现有技术，本申请对此不进行限定。

一般在固体电解质01加工完成后，先采用现有的方式将除工作电极02之外的其他电极设在固体电解质01上，例如在固体电解质01的一侧涂上铂浆并用铂丝作为电极引线，然后进行烧结即可。因此，当采用两电极体系时，保护管3内穿设两根导线31即可，而采用三电极体系时，则保护管3内需要穿设三根导线31。当然，保护管3可以采用一根，也可以根据需要采用两根或者三根，对于导线31的材质根据实际测试需要进行选择，本申请对此不进行限定。

在进行电化学测试时根据固体电解质01的材料不同一般需要在指定气氛下进行测试，例如空气、氮气或者氩气等气氛。当指定气氛为空气时，对整个装置的气密性则没有太大要求。但是当指定气氛为氮气或者氩气时，对装置的气密性以及指定气体的纯净度都有一定的要求。

为了便于满足对固体电解质01进行检测时气密性的要求，上述的电化学测试装置还包括具有一密闭容置空间的反应器1。支撑件2中设置限位部的一端伸入容置空间内，另一端位于反应器1的外部。保护管3的一端伸入容置空间内，另一端位于反应器1的外部。

一般反应器1为具有一端开口的管体，反应器1的端设有塞体，支撑件2和保护管3均由塞体穿过。塞体一般采用橡胶塞，当然，反应器1也可以根据需要采用其他的方式。

为了便于满足对固体电解质01进行检测时不同指定气氛的要求，反应器1的两侧靠近开口端还分别设有进气口和出气口，进气口处连接有进气管，出气口处连接有出气管。进气管自进气口处延伸至反应器1的内部底端，出气管自出气口延伸至反应器1的外部。

这样，当需要指定气氛时，例如氮气，将氮气通过进气管通入到反应器1的内部，通入的氮气会顺着进气管通入到反应器1的底部后再逐步蔓延到反应器1的顶端再由出气口排出，采用进气管伸入到底部的设置方式能够排空其中的空气，保证了指定气氛的纯净度。

为了进一步保证整个装置的气密性，进而准确测出在特定氛围下的曲线，保护管3的另一端与导线31接触处进行密封处理，支撑件2伸出反应器1的一端与抵推件22之间滑动密封连接。同时，第二固定件42与塞体连接的缝隙处进行密封处理，第二固定件42与支撑件2和保护管3的接触处也进行密封处理。

一般上述的密封采用硅胶进行密封即可，当然，也可以根据需要采用其他的密封材料实现密封，本实施例仅为举例说明。

另外，测试固体电解质01的电化学性能时，很多需要在高温下进行，即600-1000℃的温度下进行，在高温下进行测试固体电解质01的性能时，除了要保证工作电极02与固体电解质01的点接触稳定，测试环境的气密性之外，还需要保证装置不短路。对于保证不短路而言，一方面需要保证连线正确，另一方面需要保证在高温下不能导电同时耐高温。

研究发现，反应器1采用石英管，支撑件2、保护管3、抵推件22以及电极固定件23的材质均采用刚玉，即氧化铝时，在高温条件下测试时能够满足上述条件。当然，实际应用中，也可以采用其他能够满足条件的材质，本实施例仅为举例说明。

在可能的实现方式中，参照图4，上述的电化学测试装置还包括管式炉5和控温仪51，反应器1放置在管式炉5内，控温仪51与管式炉5连接，用于控制管式炉5的温度。一般此种情况主要是用于在高温下对固体电解质01进行测试的情况，需要对反应器1进行加热，而对于在室温下或者低温下进行操作测试的情况则不需要放入管式炉5加热进行，根据需要直接进行室温下或者其他容器中进行即可，根据需要进行选择。

为了更好地理解上述实施例的方案，参照图1-5，以下以反应器1采用石英管、塞体采用橡胶塞、支撑件2采用两端开口的粗氧化铝管、保护管3共两根均采用细双孔氧化铝管、导线31采用铂丝、抵推件22采用刚玉棒、电极固定件23采用双孔氧化铝管，测试采用三电极体系为例，对整个电化学测试装置的安装和使用过程说明如下：

首先，在管式炉5中插入一根石英管，石英管的开口端用橡胶塞封口，将粗氧化铝管和两根细双孔氧化铝管穿过橡胶塞插入石英管中。

其中，粗氧化铝管伸入石英管内部的一端侧面设有开口21，粗氧化铝管位于该开口21下方的管壁用于放置固体电解质01，并用高温胶在粗氧化铝管伸入石英管内部的一端端面筑一堵墙作为限位部。对于粗氧化铝管以及细双孔氧化铝管的管径大小以及大小关系并没有特别限定，根据实际情况选择即可。

然后，将三根直径为0.5mm的铂丝的另一端通过细双孔氧化铝管插入到石英管中到达放置固体电解质01的位置，三根铂丝的一端作为连接电化学工作站6的导线31。其中一根细双孔氧化铝管中穿设两根铂丝，另一根细双孔氧化铝管中穿设一根铂丝。当然，实际应用中也可以直接采用一根三孔氧化铝管穿设三根铂丝。

接下来，再用一根与粗氧化铝管的内径几乎相同的刚玉棒穿入粗氧化铝管中，到达固体电解质01位置，顶到电极固定件23上。在石英管的开口端外部用四根弹簧连接的两个木板顶住刚玉棒，用来以机械力的方式给工作电极02与固体电解质01施加一个力，达到稳定的点接触的目的。

两块木板中的其中一块木板紧靠橡胶塞固定，另一块木板中心开设有凹槽顶在刚玉棒上以进行固定。四根弹簧在两块木板的四个角连接两块木板，缝隙用硅胶密封，以达到气密性的目的。

在准备进行测试之前，先用一块木板放入装置中的两块木板之间，以将弹簧撑开，腾出三电极体系放置的位置(即图2和图4中椭圆形区域A)，然后将U型微电极(即工作电极02)穿过双孔氧化铝管(即电极固定件23)，并将U形的尖端与固体电解质01形成点接触，放入粗氧化铝管上的开口21对应的管壁处。

之后将三个电极的导线31与装置的三根铂丝导线31相连，然后将之前放入两块木板之间的木板拿开，弹簧收缩，压在双孔氧化铝管(即电极固定件23)上，从而给U型微电极施加一个恒定的机械力，确保了工作电极02与固体电解质01的接触稳定，然后用硅胶对粗氧化铝管的第一端封口，达到气密性的目的，最后将连接好的装置中三根导线31的一端连接电化学工作站6，就可以开始进行检测。

例如，用上述的电化学测试装置研究氧化钇稳定氧化锆固体电解质01、与镍工作电极02、的三相界面电极动力学问题时，可以进行循环伏安测试、交流阻抗测试、以及其他检测界面动力学的方法，且利用上述的装置能够很好的保证了测试的可重复性和稳定性。

当然，可以理解，上述安装使用过程仅为举例说明，实际应用中各结构可以根据需要进行调整，本申请对此不进行限定。

由此，采用上述的电化学测试装置不仅能保证微电极(工作电极02)与固体电解质01在高温下接触稳定，而且还能保证三电极体系的气密性，实验电化学可重复性测试。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于固体电解质的电化学测试装置，其特征在于，包括支撑件(2)、抵推件(22)、移动抵推装置(4)以及用于固定工作电极(02)的电极固定件(23)；

所述支撑件(2)包括用于对固体电解质(01)竖向支撑的支撑部以及对固体电解质(01)横向限位的限位部，所述限位部设在所述支撑部的一端；

所述抵推件(22)支撑在所述支撑部上，并能够沿所述支撑部的长度方向往复移动；

所述移动抵推装置(4)设在所述支撑件(2)远离限位部的一端，并与所述抵推件(22)固定，以带动所述抵推件(22)的往复移动；

所述电极固定件(23)支撑在所述支撑部上，并通过所述抵推件(22)与所述限位部的配合将所述电极固定件(23)夹设在所述抵推件(22)与固体电解质(01)之间，以使所述电极固定件(23)上固定的工作电极(02)在所述移动抵推装置(4)的抵推作用下与固体电解质(01)接触。

2.如权利要求1所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述支撑件(2)为管状物，所述抵推件(22)可滑动地套设在所述管状物内；

所述管状物的一端侧面开设有开口(21)，所述管状物位于所述开口(21)下方的管壁构成所述支撑部，所述管状物的一端的端面构成所述限位部。

3.如权利要求1所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述电极固定件(23)靠近所述限位部的一端渐缩成锥形；

所述锥形的侧面上开设有第一出口和第二出口，所述电极固定件(23)的内部设有供工作电极(02)穿过的通道，且所述通道与所述第一出口和第二出口相对应。

4.如权利要求1所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述移动抵推装置(4)包括第一固定件(41)、第二固定件(42)以及夹设在所述第一固定件(41)和第二固定件(42)之间的弹性件(43)；

所述第一固定件(41)与所述抵推件(22)远离所述限位部的一端固定连接；

所述第二固定件(42)套设固定在所述支撑件(2)上，且所述支撑件(2)远离所述限位部的一端伸入到所述第一固定件(41)和所述第二固定件(42)之间；

所述弹性件(43)在所述抵推件(22)与所述限位部相抵接时处于自然状态，在所述电极固定件(23)上固定的工作电极(02)与固体电解质(01)接触时处于被拉伸状态。

5.如权利要求1所述的电化学测试装置，其特征在于，还包括保护管(3)；

所述保护管(3)内穿设有导线(31)，所述导线(31)的一端延伸至保护管(3)的外部，另一端延伸至所述支撑件(2)靠近限位部的一端。

6.如权利要求5所述的电化学测试装置，其特征在于，还包括具有一密闭容置空间的反应器(1)；

所述支撑件(2)中设置限位部的一端伸入所述容置空间内，另一端位于所述反应器(1)的外部；

所述保护管(3)的一端伸入所述容置空间内，另一端位于所述反应器(1)的外部。

7.如权利要求6所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述反应器(1)为石英管，所述支撑件(2)、保护管(3)、抵推件(22)以及电极固定件(23)的材质均为刚玉。

8.如权利要求6所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述反应器(1)为具有一端开口的管体，所述反应器(1)的开口端设有塞体，所述支撑件(2)和所述保护管(3)均由所述塞体穿过。

9.如权利要求8所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述反应器(1)的两侧靠近开口端还分别设有进气口和出气口，所述进气口处连接有进气管，所述出气口处连接有出气管；

所述进气管自进气口处延伸至反应器(1)的内部底端，所述出气管自出气口延伸至反应器(1)的外部。

10.如权利要求6所述的电化学测试装置，其特征在于，

所述保护管(3)的另一端与所述导线(31)接触处进行密封处理，所述支撑件(2)伸出反应器(1)的一端与抵推件(22)之间滑动密封连接。