CN111413388A - 原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置及方法，所述测试装置包括原子力显微镜、电化学池及其内部的电极、电化学工作站，所述电极包括环形对电极、参比电极和工作电极，所述电极通过导电线路连接电化学工作站，其特征在于，所述环形对电极和参比电极固定在电化学池的内部，所述工作电极为柱状金属锂工作电极，柱状金属锂工作电极竖直固定在环形对电极中央的下方；所述电化学池上方设有内扣盖，所述内扣盖设在原子力显微镜的扫描头与液相探针夹之间，能够覆盖电化学池的上表面，液相探针对柱状金属锂工作电极的顶面进行扫描测试。

Description

原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置及方法

技术领域

本发明属于原位电化学测试技术领域，具体涉及一种原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置及方法，能够实现在充放电过程中对液态金属锂电池体系的界面结构演化过程进行原位电化学原子力显微镜的实时监测。

背景技术

金属锂负极因其具有高达3860mAh/g的理论比容量以及最低的电化学势(-3.04V)，而被认为是高比能二次锂电池最有前景的阳极材料。金属锂负极的重要研究方向是探究不可控的锂枝晶生长、明显的体积膨胀以及不稳定的固体电解质界面(SEI)膜所带来的安全隐患以及容量衰减等问题，主要的研究方法是使用原位表征技术对充放电过程中液态金属锂电池内部本征的微观界面反应机制以及相应的构效关系进行更加深入的探究与理解。

原位电化学原子力显微镜是电化学分析技术和原子力显微镜技术交叉融合的一种纳米测试平台，它结合原子力显微镜(AFM)的纳米分辨率的特点，研究电极界面微观的电化学反应行为，如工作电极表面在电化学过程中界面的形貌变化，以及电化学体系中SEI膜的变化等。原位电化学原子力显微镜技术能够在更接近实际体系且对锂友好无损的条件下，实现对金属锂电极/电解液界面的原位表征，能够从纳米尺度上揭示电极/电解液界面结构的演化规律以及相应的动力学反应机制，为液态金属锂电池体系的界面电化学反应研究提供更精密、更直观的科学依据。

专利CN201820988383.1公开了一种原子力显微镜用电解池及原子力显微镜，包括电解池本体、环形对电极和片状工作电极，电解池本体的侧壁的内壁面上设置有支撑结构，支撑结构具有在水平姿态下设置环形对电极的支撑面，片状工作电极平行间隔设置在环形对电极的下方，环形对电极的中心孔形成在电化学测试时供测试探针穿过的检测通道。

专利CN201310111577.5公开了一种电化学原子力显微镜探针架-电解池装置，包括电解池、参比电极、工作电极、AFM探针、对电极、探针架、激光器、位置探测器，参比电极位于电解池的内部一侧，工作电极设置在电解池的底部，对电极设置在探针架的透视窗上，工作电极与对电极位置平行。该发明将原子力显微镜探针架上的透视窗由普通玻璃更换为透明导电玻璃，并作为电化学中的对电极，使工作电极与对电极位置平行，对电极的面积不仅比工作电极的面积大，而且解决了电场分布不均匀的问题，并且简化了电解池中电极的布局和安装。

目前，原位电化学原子力显微镜能够适用于液体环境中，进行金属锂电极/电解液界面演化过程以及相应反应动力学行为的可视化研究，然而依然存在以下不足之处：(1)只适用于片状金属锂工作电极体系，适用的工作电极形式单一、局限；(2)大部分为敞开式电解液体系，无法用于易挥发电解液体系的检测；(3)结构复杂，拆装繁琐。因此，研制开发一种操作便捷、适用于其它形式的金属锂电极研究且更具有普适性的原位电化学原子力显微镜测试装置非常重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置及方法，所述测试装置包括原子力显微镜、电化学池及其内部的电极、电化学工作站，所述电极包括环形对电极、参比电极和工作电极，所述环形对电极和参比电极固定在电化学池的内部，所述工作电极为柱状金属锂工作电极，柱状金属锂工作电极竖直固定在环形对电极中央的下方；所述电化学池上方设有内扣盖，所述内扣盖设在原子力显微镜的扫描头与液相探针夹之间，能够覆盖电化学池的上表面，液相探针对柱状金属锂工作电极的顶面进行扫描测试；所述电极通过导电线路连接电化学工作站，三者互不接触。

本发明人在金属锂电池体系的原位电化学原子力显微镜研究中发现，金属锂电极研究中最重要的科学问题是金属锂的沉积/溶解行为及其SEI膜的形成与生长过程。在该过程中，当金属锂工作电极采用片状结构时，金属锂倾向于在环形对电极的正下方发生沉积/溶解的电化学反应，导致液相探针在扫描电化学池中间区域时无法观察到电极/电解液界面结构的演变过程。同时，本发明人在研究过程中，意料不到地发现，当金属锂工作电极采用柱状结构时，使用液相探针在柱状电极的顶面进行扫描时可以检测到金属锂的沉积/溶解行为及SEI膜的演变过程，并且柱状电极适用于广泛使用的圆柱状锂电池，节省了圆柱状锂电池电极处理后再检测的步骤，能够更好地原位观测圆柱状锂电池的电极的电化学行为。另外，所述柱状金属锂工作电极体积更小，可有效避免金属锂材料的浪费并减小整体测试装置的体积，便于进行电化学池在工作电极处的密封处理。

所述环形对电极包括圆环形电极部分和与之相连的条状电极部分，所述参比电极为条状电极。所述电化学池的正面的内部设有分别适应环形对电极和参比电极形状的固定凹槽，用于防止环形对电极和参比电极随电解液晃动。

优选的，所述柱状金属锂工作电极通过第一固定装置固定在所述圆环形电极部分的中央的下方，所述第一固定装置设在电化学池的底部，第一固定装置的中央设有至少一个通孔，所述通孔用于柱状金属锂工作电极的顶部穿过并伸入电化学池的电解液中，保证柱状金属锂工作电极的顶部与第一固定装置的上表面齐平。

更优选的，所述第一固定装置与电化学池的形状相同，连接固定在电化学池的底部，所述通孔与电化学池内部的电解液连通。

所述环形对电极的条状电极部分、参比电极的一端和柱状金属锂工作电极的底部均通过铜胶与导线粘接，并通过导线连接电化学工作站，三者互不接触。

优选的，所述铜胶将导线与铁环粘接，所述铁环分别接触连接所述环形对电极的条状电极部分和参比电极一端，使得导线与电极稳定连接，两个铁环间互不接触。所述环形对电极和参比电极的导线从电化学池的正面引出，所述柱状金属锂工作电极的导线从第一固定装置的背面引出。

优选的，所述测试装置包括第二固定装置，第二固定装置设在所述环形对电极的条状电极部分和参比电极的上方，用于将所述铁环固定在电化学池的上表面。优选的，所述第二固定装置为片状或板状。

优选的，所述第一固定装置的下方设有绝缘底座，使得柱状金属锂工作电极与原子力显微镜的金属样品台绝缘接触。

更优选的，所述绝缘底座的下方设有磁性吸附装置，用于所述测试装置在所述原子力显微镜的金属样品台上的固定，所述磁性吸附装置选自若干磁性吸盘或绝缘底座下方的金属底座底面上的若干磁性吸盘。

优选的，所述电化学池、第一固定装置、绝缘底座和金属底座之间通过绝缘垫圈和螺栓紧密固定为一个整体，防止电化学池内的电解液渗漏。

更优选的，所述电化学池的背面、第一固定装置的正面和背面、绝缘底座的正面均设有固定绝缘垫圈的凹槽。

本发明还提供一种原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试方法，使用所述的测试装置，包括以下步骤：

(1)将所述环形对电极和参比电极放入电化学池正面的固定凹槽，并使用铁环和铜胶将电极与导线连接，再使用第二固定装置固定铁环，将所述导线从电化学池的正面引出；

(2)将柱状金属锂工作电极穿过所述第一固定装置的通孔，保证柱状金属锂工作电极的顶面与第一固定装置的上表面齐平，再使用铜胶连接导线，并将导线从第一固定装置的背面引出；

(3)将所述电化学池、第一固定装置、绝缘底座和金属底座按照由上至下的顺序通过绝缘垫圈和螺栓紧密固定为一个整体；

(4)将所述环形对电极、参比电极以及柱状金属锂工作电极的导线互不接触地连接至电化学工作站；

(5)使用设于金属底座下方的磁性吸附装置，将所述测试装置固定于原子力显微镜的金属样品台上；

(6)在电化学池中注入电解液，使所述液相探针夹和液相探针浸入电解液中，所述内扣盖密封电化学池的上表面，开始原位原子力显微镜表征电极/电解液界面和相应的电化学测试。

针对现阶段商业化原位原子力显微镜用电化学池主要适用于锂离子电池体系中的片状工作电极，不适用于所有金属锂电池体系的问题，本发明设计的所述测试装置以及柱状工作电极，能够减少金属电极对AFM探针的影响，能够实现金属锂电极/电解液界面的原位电化学原子力显微镜监测。另外，还可以将柱状工作电极以及第一固定装置直接替换为锂离子电池体系中常用的片状工作电极，从而实现工作电极使用形式的多样化以及本发明的普适性应用。

联用AFM扫描头、内扣盖、液相探针夹与电化学池，构成完整的原位电化学原子力显微镜观察电极/电解液界面测试装置，该测试装置操作便捷、安装高效，主要针对金属锂电池体系中的易挥发电解液体系，同时能够实现封闭体系和工作电极形式多样化，普适性较强，几乎能够实现所有液态锂电池体系在充放电过程中电极/电解液界面结构演化的在线追踪与可视化研究。

附图说明

图1为原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置的结构图。

图2为原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置的拆解图。

图3为环形对电极和参比电极与铁环和铜胶的连接示意图。

附图中，1-AFM扫描头，2-内扣盖，201-垫圈，3-液相探针夹，4-电化学池，401-电化学池本体，5-环形对电极，6-参比电极，7-柱状金属锂工作电极，8-第一电极固定槽，801-第二电极固定槽，9-第一固定装置，901-通孔，10-铁环，11-第二固定装置，12-绝缘底座，13-金属底座，14-磁性吸盘，15-第一环形密封O圈，1501-第二环形密封O圈。

具体实施方式

针对现有的原位电化学原子力显微镜测试装置存在的只能应用于片状工作电极的问题，本发明提供了一种原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置，能够观察柱状锂电极/电解液界面的金属锂沉积/溶解行为及其SEI膜的形成与生长过程，并且能够实现金属锂电池易挥发电解液体系在充放电过程中界面结构演化的原位电化学原子力显微镜探究。

如图1和2所示，所述测试装置包括原子力显微镜、电化学池4及其内部的电极、电化学工作站，所述电极包括环形对电极5、参比电极6和工作电极，所述环形对电极5和参比电极6固定在电化学池4的内部，所述工作电极为柱状金属锂工作电极7，柱状金属锂工作电极7竖直固定在环形对电极5中央的下方；所述电化学池4上方设有内扣盖2，所述内扣盖2设在AFM扫描头1与液相探针夹3之间，能够覆盖电化学池4上表面，液相探针对柱状金属锂工作电极7的顶面进行扫描测试；所述电极通过导电线路连接电化学工作站，互不接触。

由于本发明人在研究过程中发现了原位电化学原子力显微镜无法直接观测到片状金属锂工作电极体系中金属锂的沉积/溶解的动力学行为，同时又意料不到地发现，当金属锂工作电极采用柱状结构时，使用液相探针在电极上表面进行扫描测试，可以检测到充放电过程中金属锂的沉积/溶解行为及SEI膜的形成与生长过程，因此，本发明提出了使用柱状金属锂工作电极代替片状工作电极。

所述测试装置设计了内扣盖2部分，内扣盖2安装在AFM扫描头1与液相探针夹3之间，能够覆盖并密封电化学池4的上表面，电化学池4置于液相探针夹下方的原子力显微镜的金属样品台上，电化学池4内部的环形对电极5、参比电极6和工作电极通过导电线路连接至电化学工作站。

内扣盖2的主要作用是防止易挥发电解液在原位电化学原子力显微镜表征的过程中持续挥发。利用内扣盖2内侧的突出边缘与电化学池4边缘密封，形成由液相探针夹3、内扣盖2、电化学池4以及电解液组成的密闭空间，减少电解液的持续挥发，从而保证充放电过程中电化学池的正常工作。优选的，在AFM扫描头1穿过内扣盖的位置设有绝缘垫圈201，增强密封效果，有效防止挥发性电解液对AFM扫描头1内部的污染或腐蚀。根据实际使用的电解液种类的不同，可以进一步选用相应材质的绝缘内扣盖和绝缘垫圈，如挥发性水系电解液可以选用硅橡胶材质，碳酸酯类电解液可以选用氟橡胶材质，醚类电解液可以选用氟硅橡胶材质等。

所述环形对电极5包括圆环形电极部分和与之相连的条状电极部分，参比电极6为条状电极。电化学池4的正面的内部设有分别适应环形对电极5和参比电极6形状的第一电极固定槽8和第二电极固定槽801，用于防止环形对电极5和参比电极6随电解液晃动。第一电极固定槽8为设置于电化学池4正面中央处的一个圆形状凹槽以及与之相连的一个条形状凹槽结构，用于放置并固定环形对电极5；第二电极固定槽801为与第一电极固定槽8的条形状凹槽相平行的另一条形状凹槽，用于放置并固定参比电极6。研究表明，对电极的面积应明显大于工作电极的面积，以保证电化学反应正常且有效的进行，并且考虑到液相探针夹处于电化学池的中心位置，因此本发明选择环形对电极的结构设计。而研究发现参比电极的面积与工作电极关系不大，因此本发明选择了面积较小且与环形对电极5便于整合安装的条状电极作为参比电极6，有利于所述测试装置采用更小的体积。另外，设置电极固定槽能够有效避免电极在测试过程中随电解液晃动，有利于稳定电化学性能，更好地实现充放电过程中界面结构演化的原位监测以及电池体系的电化学测试。

优选的，所述柱状金属锂工作电极7通过第一固定装置9固定在所述圆环形电极部分的中央的下方，所述第一固定装置9设在电化学池4的底部，第一固定装置9的中央设有至少一个贯穿第一固定装置正面和背面的通孔901，所述通孔用于柱状金属锂工作电极7的顶部穿过并伸入电化学池4的电解液中，柱状金属锂工作电极7的顶面与第一固定装置的上表面齐平。第一固定装置9用于将柱状金属锂工作电极7固定在电化学池4的底部，柱状金属锂工作电极7通过通孔901进入电化学池4，这种结构简单有效地实现了柱状锂电极的固定，并确定了参与电化学反应的工作电极的面积，为进一步的电化学定量分析提供保障。

更优选的，第一固定装置9与电化学池4的形状相同，连接固定在电化学池4的底部，通孔901与电化学池4内部的电解液连通。在一个具体实施方式中，电化学池4和第一固定装置9均为圆盘形，通孔901设在第一固定装置9的圆心处，金属锂负极设在第一固定装置的下方，利用金属锂良好的柔软特性，第一固定装置在金属锂上表面按压，即可将金属锂负极挤入通孔901中，同时完成工作电极的塑形，得到柱状金属锂工作电极7。本发明设计的此种工作电极的放置方法，充分利用了金属锂柔软的特性，便捷地得到形状合适的柱状金属锂工作电极7，无需提前制作柱状金属锂工作电极7，并且这种安装方法得到的柱状金属锂工作电极7能够很好地贴合通孔901内壁，防止电解液渗漏。通过这种放置工作电极的方法，恰好在通孔901的顶部形成柱状金属锂工作电极7的顶面，该顶面为柱状金属锂工作电极7在电解液中的暴露部分，能够配合液相探针进行原位电化学原子力显微镜的观测，并且工作电极面积的确定有利于进一步实现电化学测试的定量分析。柱状金属锂工作电极7的尺寸小巧，直径为1-5mm即可满足原位电化学原子力显微镜的测试要求。

本发明所述的测试装置的另一个优点是，结构片状零件化，便于改装为普通测量片状工作电极的测试装置。由于第一固定装置9对形成柱状金属锂工作电极7的巧妙设计，当去掉第一固定装置9后，在电化学池4底部安装片状工作电极即可改装为普通测量片状工作电极的测试装置，能够实现一套装置两种用途，使得该测试装置在锂电池体系的原位电化学原子力显微镜研究中更具普适性。

所述环形对电极5的条状电极部分、参比电极6伸出电化学池的一端和柱状金属锂工作电极7的底部均通过铜胶与导线粘接，并通过导线互不接触地连接至电化学工作站。具体的，环形对电极5和参比电极6的铜胶和导线从电化学池4的正面，即上表面延伸出来，柱状金属锂工作电极7的铜胶和导线从第一固定装置的背面，即下表面延伸出来，三者互不影响。在实施所述工作电极的放置方法的过程中，会导致在柱状金属锂工作电极7的下方残留一定面积的金属锂负极，可以用铜胶通过残留的金属锂直接将柱状金属锂工作电极7与导线连接。

本发明人发现，实验所需的环形对电极5和参比电极6均为直径较小的锂条，对于同样是金属锂材质的环形对电极5和参比电极6这样的条状电极，由于金属锂质地柔软，若使用铜胶直接将锂条与导线相连，会在实际操作过程中，存在金属锂条断裂或者与铜胶接触不良的隐患，从而导致电化学池与电化学工作站之间失去良好的电连接。因此，本发明针对这一问题提出了优选方案，即选择成本低廉、尺寸多样的铁环10，作为导线与电极之间的连接媒介。所述铜胶将导线与铁环10粘接，所述铁环10分别接触连接所述环形对电极5的条状电极部分和参比电极6一端，使得导线与电极稳定连接，两个铁环互不接触。优选的，铁环10为具有一定宽度的圆环形铁片。

优选的，所述测试装置包括第二固定装置11，第二固定装置11设在所述环形对电极5的条状电极部分和参比电极6的上方，用于将所述铁环10固定在电化学池的上表面。优选的，所述第二固定装置11为片状或板状。为防止环形对电极5和参比电极6在电解液中浮动，设置了第二固定装置11；片状或板状的第二固定装置11也能够同时固定分别与环形对电极5和参比电极6连接的铁环10和铜胶，保证电连接稳固；同时，稳定的对/参比电极位置有利于进一步提高电池体系的电化学性能和原位观测的准确度。在一个具体实施方式中，长方形片状的第二固定装置11通过螺丝固定在电化学池4的上表面，并且两个螺丝分别穿过两个电极各自的铁环，进一步稳固铁环10和对/参比电极的位置。

优选的，所述第一固定装置9的下方设有绝缘底座12，使得整体所述测试装置与原子力显微镜的金属样品台绝缘接触。为了配合本发明中柱状金属锂工作电极7的特殊的固定方式，部分金属锂工作电极和导线从第一固定装置9的背面引出，在电化学池的底部设置绝缘底座12，既完成电化学池整体的封装，又有效地保护了第一固定装置9背面的金属锂工作电极和导线。

更优选的，所述绝缘底座12下方设有磁性吸附装置，用于使得所述测试装置固定在所述原子力显微镜的金属样品台上，所述磁性吸附装置选自若干磁性吸盘14或绝缘底座下方的金属底座13底面上的若干磁性吸盘14。金属底座13能够增加所述测试装置的整体强度和稳固性，便于取放和与其它设备或装置安装连接。

优选的，所述电化学池4、第一固定装置9、绝缘底座12和金属底座13之间通过绝缘垫圈和螺栓紧密固定为一个整体，防止电化学池4内的电解液渗漏。更优选的，所述电化学池4的背面、第一固定装置9的正面和背面、绝缘底座12的正面设有固定绝缘垫圈的凹槽。在一个具体实施方式中，电化学池4、第一固定装置9、绝缘底座12和金属底座13的上下对应位置分别设有4个对称的螺纹孔，各个部件之间使用绝缘垫圈做好密封，4个螺栓依次穿过各个部件，并在金属底座13的背面用螺栓紧固，完成整体紧固密封。本发明所述的测试装置也可以采用其它方式进行紧固密封，例如将上述各个部件封装在密闭容器中。

优选的，所述电化学池4、第一固定装置9、第二固定装置11以及绝缘底座12均采用聚四氟乙烯材质制作，所述绝缘垫圈采用氟橡胶材质制作，金属底座13采用不锈钢材质制作。

以下例举一个具体的实施例，有助于理解本发明所述的测试装置。

一种原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置，包括AFM扫描头1、内扣盖2、液相探针夹3以及电化学池4。其中，内扣盖2设置于AFM扫描头1和液相探针夹3之间，电化学池4设置于装有内扣盖2和液相探针夹3的AFM扫描头1正下方的原子力显微镜的金属样品台上。将电化学池4与外接电化学工作站相连，从而实现液态锂电池体系的原位电化学原子力显微镜实时监测。在AFM扫描头1穿过内扣盖2的位置设有绝缘垫圈201，增强密封效果，有效防止挥发性电解液对AFM扫描头的污染和腐蚀。

如图1和3所示，电化学池4包括电化学池本体401、环形对电极5、条形参比电极6、第二固定装置11、第一环形密封O圈15、第一固定装置9、柱状金属锂工作电极7、第二环形密封O圈1501、绝缘底座12以及金属底座13。电化学池本体401、第一固定装置9、绝缘底座12以及金属底座13均为直径相同的圆形盘状，圆心在同一竖直线上。

在电化学池本体401的正面分别安装有互不接触的环形对电极5与条形参比电极6，使用第二固定装置11将两者进行固定。在电化学池本体401的背面凹槽处安装第一环形密封O圈15，并与第一固定装置9相接触。将柱状金属锂工作电极7按压，通过第一固定装置9中心处的圆形通孔901。在第一固定装置9的背面凹槽处安装第二环形密封O圈1501，并与绝缘底座12相接触，而后再与金属底座13相接触。环形对电极5、条形参比电极6以及柱状金属锂工作电极7分别与互不接触的铜胶和导线相连，进而与电化学工作站电连接。其中，环形对电极5和条形参比电极6分别与铁环10连接，便于连接铜胶。需要保证柱状金属锂工作电极7的顶面与第一固定装置9的上表面齐平，与柱状金属锂工作电极7相连的铜胶需从第一固定装置9的背面侧引出。

如图2所示，将环形对电极5安装于电化学池本体401正面侧的中央圆形状第一电极固定槽8中，通过左侧条形状凹槽与铁环、外接铜胶相连。将条形参比电极6安装于电化学池本体401正面侧的第二电极固定槽801中，并与铁环、外接铜胶相连。将绝缘的第二固定装置11置于装有环形对电极5和参比电极6的相互平行的左侧条形状凹槽和第二电极固定槽801上方，再使用两个螺栓将第二固定装置11上的两个螺纹安装孔与电化学池本体401正面侧的两个螺纹安装孔相连，环形对电极5和参比电极6互不接触。

在电化学池本体401背面侧的环形状凹槽内安装尺寸相当的第一环形密封O圈15，并与第一固定装置9正面侧的环形状凹槽相接触。将柱状金属锂工作电极7通过第一固定装置9中央处的圆形通孔901，保证柱状金属锂工作电极7的顶面与第一固定装置9的上表面齐平。在第一固定装置9背面侧的环形状凹槽内安装尺寸相当的第二环形密封O圈1501，并与绝缘底座12正面侧的环形状凹槽相接触。将金属底座13与绝缘底座12的背面侧相连，金属底座13底面设有四个磁性吸盘14，再使用四个螺栓将电化学池本体401上的四个螺纹安装孔、第一固定装置9上的四个螺纹安装孔、绝缘底座12上的四个螺纹安装孔以及金属底座13上相应的四个螺纹安装孔连接。利用金属底座13背面侧的四个磁性圆盘14将组装完全的电化学池4固定于原子力显微镜的金属样品台上，用于金属锂电池体系中电极/电解液界面的原位电化学原子力显微镜研究。

上述实施例中，内扣盖2根据实验选用的不同易挥发电解液体系选择相应的硅橡胶、氟橡胶以及氟硅橡胶等材质。

上述实施例中，电化学池本体401、第一固定装置9、第二固定装置11以及绝缘底座12均采用聚四氟乙烯材质制作。

上述实施例中，内扣盖2的绝缘垫圈201、第一环形密封O圈15以及第二环形密封O圈1501采用氟橡胶材质制作。

上述实施例中，金属底座13采用不锈钢材质制作，背面侧四个磁性吸盘14采用磁性材质制作。

本发明所述的测试装置的测试方法包括以下步骤：

(1)将环形对电极5和参比电极6分别放入电化学池4正面的第一电极固定槽8和第二电极固定槽801，并使用铁环10和铜胶将对/参比电极与导线连接，再使用第二固定装置11固定铁环，将导线从电化学池4正面侧引出；

(2)按压，使得柱状金属锂工作电极7穿过第一固定装置9的通孔901，保证柱状金属锂工作电极7的顶面与第一固定装置9的上表面齐平，再使用铜胶从第一固定装置9的背面侧连接导线；

(3)将电化学池4、第一固定装置9、绝缘底座12和金属底座13按照由上至下的顺序通过第一环形密封O圈15、第二环形密封O圈1501和螺栓紧密固定为一个整体；

(4)将环形对电极5、参比电极6和柱状金属锂工作电极7电极的导线连接电化学工作站，三者互不接触；

(5)使用设于金属底座13下方的磁性吸附装置，将所述测试装置固定于原子力显微镜的金属样品台上；

(6)在电化学池4中注入电解液，使液相探针夹3和液相探针浸入电解液中，内扣盖2密封电化学池的上表面，开始原子力显微镜的原位观察和电化学测试。

Claims (10)

1.原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试装置，包括原子力显微镜、电化学池及其内部的电极、电化学工作站，所述电极包括环形对电极、参比电极和工作电极，所述电极通过导电线路连接电化学工作站，其特征在于，所述环形对电极和参比电极固定在电化学池的内部，所述工作电极为柱状金属锂工作电极，柱状金属锂工作电极竖直固定在环形对电极中央的下方，三者互不接触；所述电化学池上方设有内扣盖，所述内扣盖设在原子力显微镜的扫描头与液相探针夹之间，能够覆盖电化学池上表面，液相探针对柱状金属锂工作电极的顶面进行扫描测试。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述电化学池的正面的内部设有分别适应环形对电极和参比电极形状的固定凹槽，用于防止环形对电极和参比电极随电解液晃动；

所述环形对电极包括圆环形电极部分和与之相连的条状电极部分，所述参比电极为条状电极。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述柱状金属锂工作电极通过第一固定装置固定在所述圆环形电极部分的中央的下方，所述第一固定装置设在电化学池的底部，第一固定装置的中央设有至少一个通孔，所述通孔用于柱状金属锂工作电极的顶部穿过并伸入电化学池的电解液中。

4.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述环形对电极的条状电极部分、参比电极一端和柱状金属锂工作电极的底部均通过铜胶与导线粘接，并通过导线连接电化学工作站。

5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，所述铜胶将导线与铁环粘接，所述铁环分别接触连接所述环形对电极的条状电极部分和参比电极一端，使得导线与电极稳定连接，两个铁环间互不接触。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括第二固定装置，第二固定装置设在所述环形对电极的条状电极部分和参比电极的上方，用于将所述铁环固定在电化学池的上表面。

7.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述第一固定装置的下方设有绝缘底座，使得柱状金属锂工作电极与原子力显微镜的金属样品台绝缘接触。

8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述绝缘底座的下方设有磁性吸附装置，用于所述测试装置在所述原子力显微镜的金属样品台上的固定，所述磁性吸附装置选自若干磁性吸盘或绝缘底座下方的金属底座底面上的若干磁性吸盘。

9.根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于，所述电化学池、第一固定装置、绝缘底座和金属底座之间通过绝缘垫圈和螺栓紧密固定为一个整体，防止电化学池内的电解液渗漏。

10.原子力显微镜观察柱状锂电极的电化学测试方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的测试装置，包括以下步骤：

(1)将所述环形对电极和参比电极放入电化学池正面的固定凹槽，并使用铁环和铜胶将电极与导线连接，再使用第二固定装置固定铁环，将所述导线从电化学池的正面引出；

(2)将柱状金属锂工作电极穿过所述第一固定装置的通孔，保证柱状金属锂工作电极的顶面与第一固定装置的上表面齐平，再使用铜胶连接导线，并将导线从第一固定装置的背面引出；

(3)将所述电化学池、第一固定装置、绝缘底座和金属底座按照由上至下的顺序通过绝缘垫圈和螺栓紧密固定为一个整体；

(4)将所述环形对电极、参比电极以及柱状金属锂工作电极的导线互不接触地连接至电化学工作站；

(5)使用设于金属底座下方的磁性吸附装置，将所述测试装置固定于原子力显微镜的金属样品台上；

(6)在电化学池中注入电解液，使所述液相探针夹和液相探针浸入电解液中，所述内扣盖密封电化学池的上表面，开始原位原子力显微镜表征电极/电解液界面和相应的电化学测试。

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