CN115621591B - 一种具有位移探测功能的电池原位成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，具体包括：支撑板，所述支撑板具有底座板，安装在所述底座板顶部的一侧的支撑架杆，以及安装在所述支撑架杆顶部的支撑顶板；原位成像池，所述原位成像池安装在所述底座板顶部，且位于所述底座板顶部远离所述支撑架杆的一侧；位移传感器，所述位移传感器位于所述支撑架杆内腔，安装在所述位移传感器外表面的传感器固定器，以及安装在所述传感器固定器顶部的传感器位置调整器，本发明涉及电池原位成像装置技术领域。该装置采用了常规的位移传感器实现对电极片的位移变化感知，同时，通过原位池及其窗口的不同设计方案，有效实现了不同波段光学成像技术对电极表界面处的微结构成像探测。
Description
技术领域
本发明涉及电池原位成像装置技术领域，具体为一种具有位移探测功能的电池原位成像装置。
背景技术
金属离子电池，如锂离子电池，主要由阳极、阴极、隔膜和电解质组成。在充放电过程中，这种电池会产生一种电子流，可以用来为各种设备提供动力。负极和正极是由两种不同的材料组成的，分别可以进行氧化和还原反应。电解质为离子在各自电极之间流动提供介质，使电荷平衡完成氧化/还原过程。隔膜的目的是允许离子流动，并确保正负极不发生短路。在充放电过程中，电极通常会随着金属离子的嵌入和脱出发生一定程度的扩张或收缩，即伴随着内部的体积变化。有研究表明，这种内部体积变化或电极的位移变化将在一定程度上直接影响电池的性能，具体如其容量、电流能力、循环寿命、安全性、存储寿命、工作电压等等。与此同时，需要注意的是，在这个过程中，其电极材料本身也有可能发生巨大的形态变化。
现有的商业膨胀计就被设计用来专门测量由化学或物理过程引起的样品材料的体积变化。如其通常被用于测试各种材料，包括金属、碳质材料、陶瓷、玻璃和聚合物等的体积变化和位移变化。其工作原理具体有包括：1. 通过活塞式加位移传感器实现其位移或体积变化探测的；2. 采用光学路径差来实现材料位移或体积变化感知的；3. 使用平行板电容器，即一个固定板和一个移动板，通过移动板的移动改变两者之间的间隙来实现对样品膨胀或收缩的探测功能。
因此，如何在有效探测出电池体内部电极位移、体积变化的同时，还能够观察到电极本身的微结构变化，甄别出电池性能衰退的真正机制仍然是电池研究领域内的一大技术挑战。光学成像、X射线成像技术等多种波段的光谱成像技术对于了解电池体内的微结构研究有着十分重要的作用。因此，若能够在上述探测电池膨胀的基础上，加入该类型物理学成像表征手段，将对在原子、分子层面理解电池性能变化、内部微结构变化等之间的结构-性能构效关系提供巨大的帮助。
现有的商业膨胀计或研究人员设计开发的电化学膨胀仪基本上是一种探测电池充放电过程中的位移、体积变化的常规方法。它能够有效的探测出电池整体或者电极片的位移变化量，在一定程度上揭示电池的电化学性能机制。但该种方法最大的缺陷是仅仅只能探测到相应的位移变化总量，无法有效的识别出导致位移变化的分量信息，或对造成该类位移的电极微结构无法有效甄别，同时，考虑到电池内部复杂的电化学反应环境，正负极材料之间的膨胀比有可能会出现相互抵消或叠加的行为，这种多耦合因素共同作用下的电池位移变化也是该种技术无法解决的。
发明内容
针对现有技术的不足，为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，具体包括：
支撑板，所述支撑板具有底座板，安装在所述底座板顶部的一侧的支撑架杆，以及安装在所述支撑架杆顶部的支撑顶板；
原位成像池，采用swagelok原型电池设计而来，所述原位成像池安装在所述底座板顶部，且位于所述底座板顶部远离所述支撑架杆的一侧；
位移传感器，所述位移传感器位于所述支撑架杆内腔，安装在所述位移传感器外表面的传感器固定器，以及安装在所述传感器固定器顶部的传感器位置调整器，其特征在于：所述原位成像池包括：
主池体部分，所述主池体部分安装在所述底座板上，开设在所述主池体部分顶部中间位置的凹槽，以及开设在所述凹槽底部中间位置的窗口，开设在所述凹槽底部且位于所述窗口周边的固定螺孔，以及开设在所述主池体部分中间位置且位于所述窗口下方的电池槽；
上电极杆，所述上电极杆安装在所述电池槽靠近所述支撑架杆的一端，以及依次套设在所述上电极杆外表面的密封垫圈一和弹簧，安装在所述上电极杆靠近所述支撑架杆一端的固定端板一；
下电极杆，所述下电极杆安装在所述电池槽远离所述支撑架杆的一端，以及套设在所述下电极杆外表面的密封垫圈二，安装在所述下电极杆远离所述支撑架杆一端的固定端板二，所述传感器位置调整器顶部安装在所述支撑顶板底部，且所述位移传感器底部与所述底座板顶部滑动连接，所述位移传感器中心轴线与所述电池槽为同一轴线，且所述位移传感器靠近所述主池体部分的一端与所述上电极杆接触，所述主池体部分顶部位于所述凹槽两侧开设有定位螺栓孔，且所述固定端板一通过上固定螺母与所述上电极杆固定连接，所述固定端板一位于所述上电极杆两侧的位置开设有调位螺孔一，所述固定端板二通过下固定螺母与所述下电极杆固定连接，所述固定端板二位于所述下电极杆两侧的位置开设有调位螺孔二，整套原位测试装置可以匹配电池测试仪和各类光谱成像装置进行联用；
优选的，所述主池体部分结构均采用高分子材料加工成型，高分子材质可选择聚四氟乙烯、聚醚醚酮或其他耐酸碱、有机液体的高分子材质，所述主池体部分可以设计成为扁平的长方体结构，也可以设计成柱形电池结构，所述窗口可以选择高透石英、单晶蓝宝石等光学镜片，也可以选择和池体材质一致的高分子材质，所述上电极杆、下电极杆均采用金属材质加工成型，其材质需具备耐酸碱腐蚀、耐有机电解液侵蚀特性，具体可选择如316L材质、金属Ti材质等，所述支撑板和底座均采用常规金属加工成型，所述电池原位成像装置还包括外置控制器，所述外置控制器通过信号线路与所述位移传感器连接。
本发明提供了一种具有位移探测功能的电池原位成像装置。具备以下有益效果：
该具有位移探测功能的电池原位成像装置，通过在结构设计上，同时兼顾了电池内部电极位移、体积变化探测的功能和电极表界面上微结构实时成像探测、记录的功能。该原位探测装置主要应用于金属离子电池，如锂离子电池、钠离子电池、固态电池等在电化学充放电过程中的电化学性能衰退机制的研究方面。该装置采用了常规的位移传感器实现对电极片的位移变化感知，同时，通过原位池及其窗口的不同设计方案，有效实现了不同波段光学成像技术对电极表界面处的微结构成像探测。具体表现在有效探测电极片位移、体积变化的基础上，可以适配多种不同波段的光学成像方式，如可见光光学成像、X射线成像等，对发生在电极表界面处的各类微结构变化进行在线追踪、记录，能够为用户成功的获取到在电化学充放电过程中的微结构变化成像效果图。具体如由于电极分层而发生的体积膨胀就可以使用光学显微镜技术来观察到；而对于相对健康的电池充放电过程中，电极发生的正常膨胀和收缩行为则可以通过X射线成像进行有效识别。通过上述结构设计和优化，将位移/体积变化以及电极微结构变化成像记录两种不同物理学表征手段的有效结合，为从原子、分子层面揭示电池整体电化学性能衰减机制提供更加真实、详实的实验数据，为未来发展新一代电池技术提供理论和实验基础。
附图说明
图1为本发明立体结构的俯视示意图；
图2为本发明立体部分结构的正视示意图；
图3为本发明立体部分结构的侧视示意图；
图4为本发明原位成像池的结构示意图；
图5为本发明传感器位置调整器的结构示意图；
图6为本发明Li-Li电池的充放电曲线和位移变化曲线和同样条件下CT成像获取到的图片；
图中：1、原位成像池；2、位移传感器；3、传感器固定器；4、传感器位置调整器；6、支撑板；62、支撑架杆；63、支撑顶板；7、底座板；10、主池体部分；11、上电极杆；12、弹簧；13、上固定螺母；14、下电极杆；15、下固定螺母；16、窗口；17、密封垫圈二；20、凹槽；21、固定螺孔；22、电池槽；23、密封垫圈一；24、固定端板一；25、固定端板二；26、定位螺栓孔；27、调位螺孔一；28、调位螺孔二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，具体包括：
支撑板6，支撑板6具有底座板7，安装在底座板7顶部的一侧的支撑架杆62，以及安装在支撑架杆62顶部的支撑顶板63；
原位成像池1，原位成像池1安装在底座板7顶部，且位于底座板7顶部远离支撑架杆62的一侧；
位移传感器2，位移传感器2位于支撑架杆62内腔，安装在位移传感器2外表面的传感器固定器3，以及安装在传感器固定器3顶部的传感器位置调整器4，位移传感器2可根据研究体系所需要的位移分辨率进行选择，在该体系中可选择的位移传感器有：线性位移传感器和电容式位移传感器，均需要通过传感器固定装置3对其进行有效固定。为了进一步将传感器2与待测原位池1进行相连感知其位移变化，还需要借助一个传感器位置调整器4将位移传感器2抵近原位电池1的上电极杆11部分。传感器位置调整器4主要通过高精度平移台来实现其位置调整。其特征在于：原位成像池1包括：
主池体部分10，主池体部分10安装在底座板7上，开设在主池体部分10顶部中间位置的凹槽20，以及开设在凹槽20底部中间位置的窗口16，开设在凹槽20底部且位于窗口16周边的固定螺孔21，以及开设在主池体部分10中间位置且位于窗口16下方的电池槽22；
上电极杆11，上电极杆11安装在电池槽22靠近支撑架杆62的一端，以及依次套设在上电极杆11外表面的密封垫圈一23和弹簧12，安装在上电极杆11靠近支撑架杆62一端的固定端板一24；
下电极杆14，下电极杆14安装在电池槽22远离支撑架杆62的一端，以及套设在下电极杆14外表面的密封垫圈二17，安装在下电极杆14远离支撑架杆62一端的固定端板二25，传感器位置调整器4顶部安装在支撑顶板63底部，且位移传感器2底部与底座板7顶部滑动连接，位移传感器2中心轴线与电池槽22为同一轴线，且位移传感器2靠近主池体部分10的一端与上电极杆11接触，主池体部分10顶部位于凹槽20两侧开设有定位螺栓孔26，且固定端板一24通过上固定螺母13与上电极杆11固定连接，固定端板一24位于上电极杆11两侧的位置开设有调位螺孔一27，固定端板二25通过下固定螺母15与下电极杆14固定连接，固定端板二25位于下电极杆14两侧的位置开设有调位螺孔二28。
主池体部分10结构均采用高分子材料加工成型，高分子材质可选择聚四氟乙烯、聚醚醚酮或其他耐酸碱、有机液体的高分子材质，主池体部分10可根据匹配的成像系统的光路设计进行有效的调整，如匹配可见光光学显微镜，主池体部分10可以设计成为扁平的长方体结构，若匹配X射线成像，主池体部分10也可以设计成柱形电池结构，窗口16可根据选择的成像光源波段的不同而不同，如可见光部分可以选择，窗口16可以选择高透石英、单晶蓝宝石等光学镜片，若X射线波段，窗口16也可以选择和池体材质一致的高分子材质，上电极杆11、下电极杆14均采用金属材质加工成型，其材质需具备耐酸碱腐蚀、耐有机电解液侵蚀特性，具体可选择如316L材质、金属Ti材质等，上电极杆11主要采用侧面密封形式，在结构设计上属于一个活动杆设计。下电极杆14设计有限位设计，主要用于固定待观察的电极片的位置，防止其在电化学反应过程中发生位置改变影响位移传感器的位置定位。支撑板6和底座7均采用常规金属加工成型，用于将原位装置匹配和有效固定在光学成像装置上，以实现整体装置的稳定性。电池原位成像装置还包括外置控制器，外置控制器通过信号线路与位移传感器2连接，该原位测试装置在电化学反应过程中，其电池内部电极片和电池整体的位移变化量探测和记录均依赖于其传感器外连的程序控制器进行。
使用时，通过卸下四个定位螺栓孔26中的紧固螺钉将swagelok型原位成像电池1从该套原位测试装置取下，放进惰性气体环境的手套箱中，通过拧开固定端板一24和上固定螺母13组成的上螺旋套和上电极杆11，依次放入电池所需要的电极片、电解液、隔膜、电极片；然后再将上电极杆11放入原位池中，通过自上而下的挤压，确保电池壳体内的电极片均是处于紧密接触中，后放入具有弹性的弹簧12，保证原位池内部的电极等部分进行了有效的压紧操作；下一步利用上螺旋套将上电极杆11固定密封。原位池部分的电池组装部分完成后，即可将原位池从手套箱中取出。重新按照起始位置利用螺钉将原位池固定在原位测试装置的支撑板上。之后，利用传感器位置调整器4将位移传感器2的探头部分下调至原位池的上电极杆11上端，呈紧密连接态后，将位移传感器2进行有效固定，通过外连控制器将位置点进行零点设置。再将原位成像池1的正负极与电池测试装置进行连接，开始电池的充放电行为，并通过外连控制器进行电池电极的位置监测和记录。在开启电化学工作站的同时，开启光学测试系统的成像探测程序，对电极界面进行有效成像，记录电极表界面的微观结构变化。
实施例二：
与最先进的锂离子电池相比，金属锂是提高电池能量密度的理想负极材料。然而，在锂的电沉积过程中，即在充电过程中，由于所谓的锂枝晶生长，阻碍了锂金属电池的商业化。一些实验研究，在更高的光学分辨率下，就可以有效观察到锂枝晶沉积物尖端区域的生长：如金属沉积导致表面的原子扩散，形成二聚体，并演化成岛屿和土丘。这些岛可以合并形成多晶或转化为突起。随着锂枝晶的不断生长，电池内部也会出现不可逆的体积膨胀，该种电池内部的体积膨胀不仅会影响电池整体的容量衰减，同时也会造成电池内部短路，引发电池安全隐患。因此，深入研究锂枝晶生长过程中，电池内部发生的体积膨胀效应及该过程中的锂枝晶生长形貌变化，对于理解电池内部枝晶生长规律，提升电池安全可靠性具有十分重要的科学意义和实践作用。我们利用本专利中的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置对其进行了原位可见光光学成像和X射线CT成像的原位实验，具体结果如下所示：
0.05C条件下，图6中左图是Li-Li电池的充放电曲线和位移变化曲线，图6中右图则是同样条件下CT成像获取到的图片信息。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，具体包括：
支撑板（6），所述支撑板（6）具有底座板（7），安装在所述底座板（7）顶部的一侧的支撑架杆（62），以及安装在所述支撑架杆（62）顶部的支撑顶板（63）；
原位成像池（1），所述原位成像池（1）安装在所述底座板（7）顶部，且位于所述底座板（7）顶部远离所述支撑架杆（62）的一侧；
位移传感器（2），所述位移传感器（2）位于所述支撑架杆（62）内腔，安装在所述位移传感器（2）外表面的传感器固定器（3），以及安装在所述传感器固定器（3）顶部的传感器位置调整器（4），其特征在于：所述原位成像池（1）包括：
主池体部分（10），所述主池体部分（10）安装在所述底座板（7）上，开设在所述主池体部分（10）顶部中间位置的凹槽（20），以及开设在所述凹槽（20）底部中间位置的窗口（16），开设在所述凹槽（20）底部且位于所述窗口（16）周边的固定螺孔（21），以及开设在所述主池体部分（10）中间位置且位于所述窗口（16）下方的电池槽（22）；
上电极杆（11），所述上电极杆（11）安装在所述电池槽（22）靠近所述支撑架杆（62）的一端，以及依次套设在所述上电极杆（11）外表面的密封垫圈一（23）和弹簧（12），安装在所述上电极杆（11）靠近所述支撑架杆（62）一端的固定端板一（24）；
下电极杆（14），所述下电极杆（14）安装在所述电池槽（22）远离所述支撑架杆（62）的一端，以及套设在所述下电极杆（14）外表面的密封垫圈二（17），安装在所述下电极杆（14）远离所述支撑架杆（62）一端的固定端板二（25）；
所述传感器位置调整器（4）顶部安装在所述支撑顶板（63）底部，且所述位移传感器（2）底部与所述底座板（7）顶部滑动连接，所述位移传感器（2）中心轴线与所述电池槽（22）为同一轴线，且所述位移传感器（2）靠近所述主池体部分（10）的一端与所述上电极杆（11）接触。
2.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述主池体部分（10）顶部位于所述凹槽（20）两侧开设有定位螺栓孔（26），且所述固定端板一（24）通过上固定螺母（13）与所述上电极杆（11）固定连接，所述固定端板一（24）位于所述上电极杆（11）两侧的位置开设有调位螺孔一（27），所述固定端板二（25）通过下固定螺母（15）与所述下电极杆（14）固定连接，所述固定端板二（25）位于所述下电极杆（14）两侧的位置开设有调位螺孔二（28）。
3.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述主池体部分（10）结构均采用高分子材料加工成型。
4.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述主池体部分（10）可以设计成为扁平的长方体结构，也可以设计成柱形电池结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述窗口（16）可以选择高透石英、单晶蓝宝石光学镜片，也可以选择和池体材质一致的高分子材质。
6.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述上电极杆（11）、下电极杆（14）均采用金属材质加工成型。
7.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述支撑板（6）和底座板（7）均采用常规金属加工成型。
8.根据权利要求1所述的一种具有位移探测功能的电池原位成像装置，其特征在于：所述电池原位成像装置还包括外置控制器，所述外置控制器通过信号线路与所述位移传感器（2）连接。
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