CN115248236A

CN115248236A - 一种原位磁电测试装置及方法

Info

Publication number: CN115248236A
Application number: CN202111669536.9A
Authority: CN
Inventors: 李庆浩; 梁琦; 李强
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-10-28

Abstract

本申请涉及一种原位磁电测试装置及方法，其中装置包括：玻璃外壳、密封塞、正极、负极、隔膜、电解液，其中，所述密封塞设置在所述玻璃外壳内，使所述玻璃外壳内部形成密闭空间，所述密闭空间内填充所述电解液；所述正极、负极呈圆筒状结构设置在所述玻璃外壳内部，其中一端放置在所述电解液中，另一端延伸出所述电解液，并通过引线贯穿所述密封塞延伸至外部；所述负极套设在所述正极内部；所述隔膜设置在所述正极和负极中间，将所述正极和负极隔离；所述玻璃外壳内部靠近密封塞处填充氩气。本申请公开的装置可以实现无拆解、原位实时测量，避免非原位测量电极磁性对样品的破坏，同时可以与磁性测量设备兼容。

Description

一种原位磁电测试装置及方法

技术领域

本申请涉及锂电池材料的磁学研究领域，尤其涉及一种原位磁电测试装置及方法。

背景技术

离子在功能材料中的可逆嵌入与脱出对于材料理化特性具有重要的影响，例如，对于材料的光学特性、磁学特性等，因此，利用离子嵌入与脱出实现磁电信号的调控是当代微电子器件的重要实现途径。

锂离子电池是最广泛应用的电化学储能器件，锂离子在晶格中可逆的嵌入与脱出可以实现电能与化学能能量之间的转化与储存。对于电极材料的脱嵌锂实现磁电转化的研究，需要通过原位磁性表征实现。原位磁性表征，是指通过实验实时记录电池材料的磁性随离子脱嵌过程发生的变化，以表征电池材料磁性演进的研究方法。

但是，实现锂电池材料的原位磁性表征，需要将锂电池研究体系与当前常规磁性测量装置匹配，因此，需要专业的原位磁性反应模型装置。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种原位磁电测试装置及方法。

第一方面，本申请提供了一种原位磁电测试装置，包括：玻璃外壳、密封塞、正极、负极、隔膜、电解液，其中，

所述密封塞设置在所述玻璃外壳内，使所述玻璃外壳内部形成密闭空间，所述密闭空间内填充所述电解液；

所述正极、负极呈圆筒状结构设置在所述玻璃外壳内部，其中一端放置在所述电解液中，另一端延伸出所述电解液，并通过引线贯穿所述密封塞延伸至外部；所述负极套设在所述正极内部；

所述隔膜设置在所述正极和负极中间，将所述正极和负极隔离；

所述玻璃外壳内部靠近密封塞处填充氩气。

优选地，所述正极包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，所述正极材料包括锂氧化物和过渡族金属氧化物。

优选地，所述负极包括集流体和涂覆在集流体上的负极材料，所述负极材料包括金属锂、石墨或者硅碳复合材料。

优选地，所述隔膜为聚丙烯或聚乙烯材料制成，并卷绕成筒状设置在所述正极和负极中间；

所述隔膜的高度大于正极和负极的高度。

优选地，延伸出所述电解液的正极和负极的长度小于或等于1.5cm。

优选地，所述正极和负极的引线为细漆包线，以及与所述集流体的连接处使用导电银胶连接。

第二方面，本申请提供了一种原位磁电测试方法，应用于第一方面所述的原位磁电测试装置，所述方法包括：

所述原位磁电测试装置的正极引线和负极引线连接充放电测试仪进行电化学脱嵌锂，并放置在常规磁性测量仪器中；

获取充放电过程中，磁性测量仪器检测到的磁化强度数据随时间和脱嵌锂量的变化曲线；

在选定的充放电电压下扫描外加磁场，绘制该状态下的磁滞回线，并获取材料磁性相关信息。

优选地，所述磁性相关信息包括材料饱和磁化强度、矫顽力。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的原位磁电测试装置，可以与现有的磁性测量装置匹配，以通过实验挖掘电池材料的磁性随离子脱嵌过程的变化，提供了一种崭新的原位表征电池材料磁性演化的研究方法。装置中包括玻璃外壳、密封塞、正极、负极、隔膜、电解液，玻璃外壳内部靠近密封塞处填充氩气，填充至玻璃外壳内的氩气可以将电解液与外界空气隔离，同时也可以将电解液与密封塞隔离，以防止电解液将密封塞腐蚀，该器件设计最大程度上保护了电池器件的基本结构特点，可以实现常规电极材料电化学性能测试。

传统的扣式电池、软包电池或者圆柱电池，尺寸过大，电池形状不能满足磁性测量设备的进样要求，因此电极材料只能拆解之后做非原位检测。该模型器件可以在保持电极材料电化学性能的基础上，与通用磁性测量设备(如超导量子干涉磁强计SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices)等)有效兼容，可以实现常规电池材料在充放电过程中的原位磁学检测，该原位检测模式可以有效避免电池拆解带来的样品破坏、多次检测重复性差、缺少时间动态响应等技术问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种原位磁电测试装置结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种原位磁电测试装置俯视图结构示意图；

附图标记：

1、玻璃外壳，2、正极，3、隔膜，4、负极，5、电解液，6、密封塞，7、正极引线，8、负极引线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

传统的功能材料理化性质调控主要依赖于电子/空穴随外加电场的响应，如p-n结的关断、FET场效应管的整流特性。离子在功能材料中的可逆嵌入与脱出对于材料理化特性甚至具有更加严重的影响，利用离子嵌入与脱出实现磁-电信号的调控是当代微电子器件乃至未来微离子器件的重要实现途径，具有磁电耦合系数高，微型器件可避免隧道效应等优点。实现磁性随离子脱嵌原位响应的探测依赖于独特的器件设置及方法。

碱金属阳离子在不同材料晶格中具有不同的化学势，通过离子在晶格中可逆的嵌入与脱出可以实现电能与化学能能量之间的转化与储存。锂电池材料研究领域同样面临着一系列基础研究与技术研究方面的问题，如材料充放电过程中微观物理化学过程、电极-电解质界面反应过程、长循环过程中的结构变化与衰减机制等。而表征电池体系磁性随电化学充放电过程的响应是挖掘电极材料反应机理的重要手段，因此，需要通过原位磁电测试装置进行原位磁电表征试验，以挖掘电极材料反应机理。

图1为本申请实施例提供的一种原位磁电测试装置结构示意图。

本申请实施例公开的原位磁电测试装置包括：玻璃外壳、密封塞、正极、负极、隔膜、电解液。其中，密封塞设置在玻璃外壳的内，堵住玻璃外壳的口部，使玻璃外壳内部形成密闭空间，在密闭空间内填充电解液。封塞可选用FFKM全氟橡胶制备，以避免电解液的腐蚀，密封后的原位磁电测试装置外可以适当涂抹凡士林进一步隔绝空气。

本申请提供的原位磁电测试装置，在手套箱内组装，以避免电解液、正负极材料同空气的副反应，玻璃外壳提供了密闭的电池组装空间，电解液在手套箱中滴加近玻璃外壳内，提供离子传输通道。原位磁电测试装置的外径约5mm，高度约2cm。

如图2所示，图2为本申请实施例提供的原位磁电测试装置的俯视图结构示意图。

如图2所示，正极、负极呈圆筒状结构设置在玻璃外壳内部，负极套设在正极内部，正极和负极的一端没入电解液中，部分正负极集流体裸露在玻璃外壳的密闭空间，并分别通过正极引线和负极引线贯穿密封塞延伸至外部。其中，正极和负极裸露在密闭空间内的高度小于或等于1.5cm。正极和负极的引线为细漆包线，以及与所述集流体的连接处使用导电银胶连接，提供稳定的电子传输通路。

正极包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，集流体为铝箔结构，在铝箔结构的集流体上涂覆正极材料，并卷成筒状结构。正极材料包括锂氧化物和过渡族金属氧化物。

同理，负极包括集流体和涂覆在集流体上的负极材料，集流体为铜箔结构，并在铜箔结构的集流体上涂覆负极材料，卷成筒状结构放置在玻璃外壳内。所述负极材料包括金属锂、石墨或者硅碳复合材料。

在正极和负极的中间设置隔膜，隔膜也为筒状结构，套设在正极和负极中间，将所述正极和负极隔离，隔膜的高度大于或等于正极和负极的高度，以便于将正极和负极隔开，防止正负极发生内短路。其中，隔膜为聚丙烯或聚乙烯材料制成。

原位磁电测试装置制成后，在玻璃外壳内部靠近密封塞处填充氩气，氩气可以进一步将玻璃外壳内部电解液与外部空气隔离，同时，保护密封塞防止被腐蚀。

本申请实施例还提供了一种原位磁电测试方法，应用在原位磁电测试装置中，包括：

在步骤S100中，所述原位磁电测试装置的正极引线和负极引线连接充放电测试仪进行电化学脱嵌锂，并放置在磁性测量仪器中。

将原位磁电测试装置的正极引线和负极引线与充放电测试仪连接，进行电化学脱嵌锂，并将整体装置放置在常规磁性测量仪器中。充放电测试仪可以通过正极和负极对原位磁电装置进行充放电，并在常规磁性测量仪器中，对装置充放电进行磁性变化监测。

在步骤S200中，获取充放电过程中，磁性测量仪器检测到的磁化强度数据随时间和脱嵌锂量的变化曲线。

通过磁性测量仪器，实时监测原位磁电测试装置的磁化强度数据。在充放电测试仪进行充放电过程中，原位磁电测试装置的正极和负极上的材料发生可逆的原位脱嵌和嵌入，从而监测锂离子随时间的变化，在脱嵌时的原位磁性测量及表征，也就是说随时间变化过程中，正极和负极材料上的脱嵌锂量的变化与磁化强度数据之间的关系。

在步骤S300中，在选定的充放电电压下扫描外加磁场，绘制该状态下的磁滞回线，并获取材料磁性相关信息。

结合步骤S200中的变化曲线，同时在选定的充放电电压下扫描外加磁场，绘制磁滞回线，可以获取正负极材料脱嵌锂过程中，随着外加磁场的变化，材料的磁性相关信息的变化。

其中，磁性相关信息包括材料的饱和磁化强度和矫顽力等。

由上述实施例的描述可知，现有技术中，在对电极材料电化学性能测试时，需要将原装电池拆解之后进行测试，在拆解过程中已经破坏了电池的原有结构，无法在保证电池特性的前提下，准确测量电极材料的电化学性能。而本申请公开的原位磁电测试装置类似于电池模型，装置设计上最大程度保持了电池器件的基本结构特点，可以实现电极材料电化学性能的测试，有效避免电池拆解带来的样品破坏、多次检测重复性差、缺少时间动态响应等。在原位测试的基础上，可以准确的获取电极材料磁性相关信息。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种原位磁电测试装置，其特征在于，包括：玻璃外壳、密封塞、正极、负极、隔膜、电解液，其中，

所述玻璃外壳内部靠近密封塞处填充氩气。

2.根据权利要求1所述的原位磁电测试装置，其特征在于，所述正极包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，所述正极材料包括锂氧化物和过渡族金属氧化物。

3.根据权利要求1所述的原位磁电测试装置，其特征在于，所述负极包括集流体和涂覆在集流体上的负极材料，所述负极材料包括金属锂、石墨或者硅碳复合材料。

4.根据权利要求1所述的原位磁电测试装置，其特征在于，所述隔膜为聚丙烯或聚乙烯材料制成，并卷绕成筒状设置在所述正极和负极中间；

所述隔膜的高度大于正极和负极的高度。

5.根据权利要求2或3任一所述的原位磁电测试装置，其特征在于，延伸出所述电解液的正极和负极的长度小于或等于1.5cm。

6.根据权利要求2或3所述的原位磁电测试装置，其特征在于，所述正极和负极的引线为细漆包线，以及与所述集流体的连接处使用导电银胶连接。

7.一种原位磁电测试方法，应用于权利要求1-6任一所述的原位磁电测试装置，其特征在于，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的原位磁电测试方法，其特征在于，所述磁性相关信息包括材料饱和磁化强度、矫顽力。