CN116046804A

CN116046804A - 固态电池原位测试方法

Info

Publication number: CN116046804A
Application number: CN202310155740.1A
Authority: CN
Inventors: 范荣; 胡余华; 孙平; 朱高龙; 华剑锋; 李立国; 戴锋
Original assignee: Sichuan New Energy Vehicle Innovation Center Co Ltd
Current assignee: Sichuan New Energy Vehicle Innovation Center Co Ltd
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2043-02-23
Also published as: CN116046804B

Abstract

本发明公开了一种固态电池原位测试方法，包括以下步骤：将制备好的测试电池放置到原位测试装置的测试腔内，调整相对设置在测试腔两侧的两个测试电极，使两个测试电极分别与测试电池的正极端和负极端接触；调整其中一个测试电极对测试电池加载，并加载到所需的压力值；和/或控制测试电极内的加热元件对测试电极加热，并加热到所需的温度值；将两个测试电极分别连接到电池测试系统，对测试电池进行充放电，对充放电过程中测试电池的观测面进行光学检测。该测试方法利用原位测试装置上的测试电极为固态结构的测试电池提供所需的压紧作用力，并通过测试电极对测试电池进行充放电操作，从而实现了对测试电池在充放电过程中的原位测试。

Description

固态电池原位测试方法

技术领域

本发明属于电池原位测试技术领域，特别涉及一种固态电池原位测试方法。

背景技术

在对锂电池的性能研究中发现，锂离子在正负极材料的嵌入/脱嵌引起的材料结构变化和匹配锂金属时的锂沉积行为，与锂离子电池的安全性及循环稳定性有着密切的关联。由于电池体系通常处于密闭环境，难以直接观测到材料的实际变化，因此无法对锂电池工作过程中的内部情况进行分析，也就无法有效确定电池体系所存在的问题。

目前，有研究开发了能够在电池充放电时通过光学显微镜对锂电池内部进行观测的原位测试池，在一定程度上实现了对液态锂电池充放电过程中的形貌变化研究，对锂电池中锂枝晶的生长调控的研究发挥了很大的作用，可实现对锂离子沉积的直观观测，但由于固态电池与液态电池在形态、结构、性能上的差异，这种原位测试方式并不适用于对固态电池的原位测试和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态电池原位测试方法，结合固态电池的结构、性能特点，能够很好地实现对固态电池的原位测试。

本发明通过下述技术方案实现：

固态电池原位测试方法，包括以下步骤：

将制备好的测试电池放置到原位测试装置的测试腔内，调整相对设置在测试腔两侧的两个测试电极，使两个测试电极分别与测试电池的正极端和负极端接触，将测试电池上作为观测面的一侧端面调整到朝向测试腔上方开口的方向上，然后继续调整测试电极并夹紧测试电池；

调整其中一个测试电极对测试电池加载，并加载到所需的压力值；和/或控制测试电极内的加热元件对测试电极加热，并加热到所需的温度值；

将两个测试电极分别连接到电池测试系统，对测试电池进行充放电，对充放电过程中测试电池的观测面进行光学检测。

作为上述技术方案的进一步改进，测试电池的制备包括有测试电池压片操作的步骤，所述测试电池压片操作包括以下步骤：

S011、将电解质粉末或电解质粉末与粘结剂混合的粉末放置于压片模具中，加压压制得到电解质片；

S012、在电解质片一端端面上放置与电解质片相同大小的极片或在其端面上铺设一层活性物质粉末或活性物质粉末与粘结剂混合的粉末，加压压制；

S013、在电解质片另一端端面上放置于电解质片相同大小的极片或在其端面上铺设一层活性物质粉末或活性物质粉末与粘结剂混合的粉末，加压压制；

其中，步骤S012与S013中所采用的极片或活性物质粉末分别用于成型出测试电池的正极和负极。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S011中，电解质片的电解质质量密度为25～250mg/cm²。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S011中，加压压制的加载压力为200～500MPa；

步骤S012、步骤S013中，当采用活性物质粉末成型测试电极的正极或负极时，加压压制的加载压力为100～500MPa；当采用金属极片成型测试电极的正极或负极时，加压压制的加载压力为10～50MPa。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S011、步骤S012、步骤S013中，在加压压制前对电解质粉末、电解质粉末与粘结剂混合的粉末、极片、活性物质粉末、活性物质粉末与粘结剂混合的粉末进行除静电处理。

作为上述技术方案的进一步改进，测试电池的制备包括有对测试电池进行观测面打磨操作的步骤，所述观测面打磨操作用于对测试电池上作为观测面的一侧端面进行打磨，包括以下步骤：

S021、沿观测面纵向方向将电解质片部分打磨成横截面为弧形的条形凹坑结构；

S022、对观测面两侧进行打磨，将观测面打磨至平齐。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S022中，采用第一目数的砂纸将观测面两侧打磨到与条形凹坑结构最底部平齐或接近平齐时，采用第二目数的砂纸继续对观测面进行打磨，直至观测面平齐；

其中，第二目数大于第一目数，且第一目数不小于2000目。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S021、步骤S022中，在打磨过程中使打磨方向始终沿观测面的纵向方向。

作为上述技术方案的进一步改进，所述原位测试装置包括：

测试平台，所述测试平台上设置有用于放置测试电池的测试腔；

测试电极，所述测试电极为两个，两个测试电极在测试平台上相对设置且其一端分别伸入到测试腔内，使其能够与设置于测试腔内的测试电池相接触，至少一个测试电极在测试平台上可沿其轴线方向在测试平台上运动，使两个测试电极能相互靠近或彼此远离；和/或在测试电极内设置有用于对测试电极加热的加热元件；

位于一个可运动的测试电极的外侧设置有加载机构，用于驱动该测试电极朝靠近另一测试电极的方向运动，为位于测试电极之间的待测电池提供压紧作用力；

另一个测试电极固定设置在测试平台上或可在测试平台上运动，当该测试电极可在测试平台上运动时，位于该测试电极的外侧设置有锁紧机构，用于限制该测试电极朝锁紧机构所在位置一侧方向上的运动。

作为上述技术方案的进一步改进，在将制备好的测试电池放置到原位测试装置的测试腔内后，在测试电池的正极一端和负极一端分别设置一个弹片；

所述弹片上与测试电极接触的一侧端面上设置有凸起，所述凸起与弹片位于同一轴线上；所述弹片上与测试电池接触的一侧端面的尺寸与测试电池端面相匹配或大于测试电池的端面尺寸；和/或弹片上与测试电池接触的一侧端面上设置有凹陷，所述凹陷与弹片位于同一轴线上。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）该测试方法基于原位测试装置的结构特点，利用原位测试装置上的测试电极为固态结构的测试电池提供所需的压紧作用力，并通过测试电极对测试电池进行充放电操作，从而实现了对测试电池在充放电过程中的原位测试。

2）利用原位测试装置及测试电极的结构特点，能够为测试过程中的测试电池提供所需的加载压力和测试温度环境，拓展了固态电池原位测试在不同变量条件下的测试需求。

3）通过控制固态电池的制备过程，保证制备得到的测试电池具有与成品固态电池基本相同的性能，从而保证原位测试的准确性，使原位测试的数据能够更加真实地反映成品固态电池的实际性能。

4）通过控制固态电池的制备过程，在保证测试电池制备质量的同时，能够很好地保证测试电池在测试过程中的安全性和可靠性；同时，通过控制测试电池观测面的打磨操作，在提高观测面打磨质量的情况下，能够更好地对测试电池充放电过程中电池的电化学变化等情况进行观测，从而提高测试结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中电池原位测试装置一种实施方式结构示意图。

图2为本发明中电池原位测试装置结构主视图。

图3为图2中B-B向截面示意图。

图4为本发明中电池原位测试装置结构俯视图。

图5为图4中C-C向截面示意图。

图6为本发明中电池原位测试装置中测试电极一种实施方式结构示意图。

图7为本发明电池原位测试装置中测试电极截面示意图。

图8为本发明中电池原位测试装置中加载机构一种实施方式结构示意图。

图9为本发明电池原位测试装置中加载机构截面示意图。

图10为本发明中电池原位测试装置中锁紧机构一种实施方式结构示意图。

图11为本发明电池原位测试装置中锁紧机构截面示意图。

图12为本发明中测试电池观测面打磨操作步骤S021中的打磨操作示意图。

图13为本发明中测试电池观测面打磨操作步骤S021中打磨得到的测试电池截面结构示意图。

图14为本发明中测试电池观测面打磨操作步骤S022中的打磨操作示意图。

图15为不使用弹片对测试电池进行加载测试时测试电池内部电流循环图。

图16为在测试电池两端设置弹片及对应测试电池结构示意图。

图17为本发明中所采用弹片结构示意图。

图18为在测试电池两端设置弹片进行加载测试时测试电池内部电流循环图。

图19a）为测试电池充放电循环示意图。

图19b）为测试电池充放电循环前观测面光学检测图。

图19c）为测试电池充放电循环对应图19a）中A点时的观测面锂金属层光学检测图。

图19d）为测试电池充放电循环对应图19a）中B点时的观测面锂金属层光学检测图。

图19e）为测试电池充放电循环对应图19a）中C点时的观测面锂金属层光学检测图。

图19f）为测试电池充放电循环对应图19a）中D点时的观测面锂金属层光学检测图。

图20a）为测试电池充放电循环对应图19a）中A点时的观测面电解质层光学检测图。

图20b）为测试电池充放电循环对应图19a）中B点时的观测面电解质层光学检测图。

图20c）为测试电池充放电循环对应图19a）中C点时的观测面电解质层光学检测图。

图21为测试电池两端未设置弹片时充放电循环观测面界面光学检测图。

图22为图20中E处的观测面界面光学检测图。

其中：

101、测试平台，102、窗口盖板，103、测试腔，104、观察窗，105，通槽；

20、测试电极，201、电连接线，202、腔体，203、加热元件，204、感温元件，205、导线，206、盖板；

30、加载机构，301、加载杆件，302、活塞件，303、加载件，304、压力传感器；

40、锁紧机构，401、锁紧杆件，402、锁定件，403、弹性件；

50、电连接器；

60、测试电池，601、集流体，602、正极、603、电解质，604、负极；

70、弹片，701、凸起，702、凹陷；

80、砂纸。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

固态锂电池中电极及电解质均为固态，各层界面之间为固固接触，相互之间存在较大的界面阻抗，测试过程中要实现固态电池的充放电循环，就需要使测试电池的电极与电解质之间能够紧密贴合，因此在测试过程中需要对电极与电解质进行加载。这些都是由于固态电池形态/结构特点所带来的，也使得现有用于液态锂电池原位测试的测试装置及测试方法并不能适用于固态电池的测试。

另外，固态电池原位测试的目的是通过对测试电池的性能观测来研究成品电池在充放电过程中的电化学反应变化过程，因此测试电池的制备质量对测试结果的准确性和可靠性有着重要的影响。

基于以上在固态电池测试中所存在的问题，该原位测试方法基于原位测试装置所具有的结构特点，结合测试电池制备工艺上的改进，实现了对固态电池的原位测试。

原位测试方法所采用的原位测试装置，参照图1-5，由以下主要部分组成：

测试平台101

该测试平台为固态电池测试提供所需的操作平台、空间以及为装置的其它部件提供安装连接的基础，在测试平台上设置有用于放置测试电池60的封闭的测试腔103，为测试电池提供所需的密封测试环境。

为方便在测试时将测试电池放置到测试腔内，在测试平台101上设置窗口盖板102，窗口盖板102设置在测试腔上方，使测试腔形成封闭的腔体，在窗口盖板上位于测试腔所在位置处设置有测试窗口，测试窗口上设置透明的观察窗104，以方便从观察窗位置对测试电池的观测面进行观测，实现对固态电池的原位测试。这里观察窗与窗口盖板之间设置为可活动拆卸连接方式，以方便从测试窗口位置向测试腔内安装测试电池；作为一个活动连接的观察窗，可在窗口压板的测试窗口处设置为台阶结构，并在该位置处设置密封圈，方便观察窗的安装、拆卸以及在观察窗位置处的密封。当然，为了保证观察窗与窗口盖板之间的稳定连接以及拆卸的方便，可以在窗口盖板或测试平台上设置可转动的弹性压板，通过弹性压板的自由端的弹性作用力将观察窗固定在窗口压板上，在需要拆卸观察窗时，只需从观察窗上转动移开弹性压板的自由端即可，这一结构在类似的电池测试装置中有很多的应用，这里不做详细说明。

测试电极20

测试电极20用于对测试电池通电，同时对测试电池进行加载，提供测试电池所需的测试压力，并且能够对测试电池进行加热，为测试电池提供所需的测试温度。测试装置中测试电极设置为两个，两个测试电极在测试平台上相对设置且其一端分别可伸入到测试腔内，使其能够与设置于测试腔内的测试电池的正极端和负极端相接触，为测试电池提供通电的条件。两个测试电极中至少一个测试电极在测试平台上可沿其轴线方向在测试平台上运动，使两侧测试电极之间能够相互靠近或彼此远离，以实现通过测试电极对测试电池夹紧和加载；这里可采用将一个测试电极固定连接的测试平台上，另一个测试电极设置为可沿其轴线方向在测试平台上运动；也可以如图1所示的装置中，将两个测试电极均设置为能够在测试平台上运动。

在测试电极与测试平台之间的连接结构上，参照图6和7，可在测试平台101上设置与测试电极配合的通槽105，该通槽的一端分别与测试腔103之间连通，测试电极20分别配合设置在通槽105内，实现测试电极在测试平台上的安装、连接；此时，借助于该通槽与测试电极之间的配合，就能够很好地实现测试电极与测试平台之间的滑动配合连接。

该测试电极20上连接电连接线201，电连接线201连接到设置在测试平台上的电连接器50，以便于将测试电极连接到充放电设备，方便通过测试电极对测试电池进行充放电操作。

该测试电极的另一特点在于，其能够为测试电池提供加热的功能，为测试过程中的测试电池提供所需的测试温度。

作为一种可实施的结构，测试电极材料采用具有导电和导热功能的材料，例如金属等材料，优选不锈钢材料；通常地测试电极可采用圆柱体结构或其它常规电极可采用的结构形式。在测试电极20内设置有腔体202，在腔体202内设置加热元件203，通过加热元件对腔体内部进行加热，以改变测试电极的温度，通过测试电极的导热性能将温度传导到测试电池上，对测试电池进行加热，改变测试电池的测试温度。腔体结构的设置上，腔体设置为盲孔结构，进一步地，可使腔体202一端设置到靠近用于与测试电池接触的一端位置，这样的结构设置可理解为能够更好地将热传导到测试电池上，以实现对电池加热温度的准确控制。

一般地，加热元件203可采用现有能够通过导电方式实现加热的元器件；本实施例中的加热元件采用沿测试电极轴向缠绕或卷绕设置的加热电阻丝，加热电阻丝能够正好设置到腔体内，通过对加热电阻丝导电来实现加热电阻丝的加热功能。通常加热电阻丝在空腔内的设置应该避免与测试电极之间的接触，即需要对加热电阻丝在空腔内进行固定定位，或将加热电阻丝与测试电极之间进行有效的隔离；同时，需要考虑到的是，由于此时加热电阻丝与测试电极之间不直接接触，加热电阻丝与测试电极之间的热传导主要是通过空气来实现，会导致热传导效率不高的问题。基于上述问题，本实施例中在腔体202内填充绝缘导热胶，通过绝缘导热胶对加热元件在腔体内的位置进行固定，同时提高加热元件与测试电极之间的热传导效率。这里的绝缘导热胶可采用常用于电子元件封装的密封胶等类似材料，其通常能够快速固化并具有很好的绝缘、导热性能，能够满足本实施例测试电极中所需要实现的上述功能。

同时，在腔体202内设置用于检测腔体内部温度的感温元件204，该感温元件204可理解为具有温度检测功能的电子元件，例如热电偶、温度传感器等类似的元器件。本实施例中感温元件采用棒状结构的感温棒，该感温棒可正好伸入设置到卷绕设置的加热电阻丝的内部空间内，以方便感温元件的设置，同时能够实现对温度更准确的检测。同样地，这里的感温元件同样能够通过腔体内填充的导热绝缘胶进行有效的固定及热传导。

可理解地，腔体202作为一种在测试电极上设置的盲孔结构，其另一端设置为与外界连通的开口，该开口的设置用于供一端连接到腔体内部的导线能够从腔体内伸出；这些导线包括用于与加热元件、感温元件连接的导线205，以实现加热及温度检测的功能。这些连接加热元件、感温元件的导线分别连接到设置在测试平台上的电连接器50，方便通过电连接器与外界供电电源、控制器之间的连接。

测试电极20上位于开口一端设置有能够封闭开口的盖板206，该盖板206与测试电极20之间固定连接，相应地，盖板206上设置有供导线伸出的一个或多个穿线孔，在封闭测试电极上腔体开口的同时，方便将导线从腔体内部引出。穿线孔可分开隔离设置，分别用于穿设连接到加热元件和感温元件的导线以及电连接线。

加载机构30

参照图3，加载机构30设置在测试平台一侧，位于其中一个可运动的测试电极的外侧，加载机构用于驱动该测试电极朝靠近另一测试电极的方向运动。

基于以上功能，作为一种可实施的结构，参照图8和9，加载机构30可包括沿测试电极轴线方向依次设置在测试平台上的加载杆件301、活塞件302和加载件303，其中，加载杆件301可采用螺纹杆结构件，与测试平台之间实现螺纹连接；活塞件302、加载件303则与测试平台301之间滑动配合连接并能够沿测试电极轴线方向做水平运动；优选地，加载杆件301、活塞件302和加载件303与测试电极20位于同一轴线上，且加载杆件301、活塞件302和加载件303之间在一端相互抵接。在需要对测试电极加载时，调节加载杆件，通过加载杆件驱动活塞件、加载件朝对应测试电极方向运动，从而推动测试电极朝测试电池方向运动，进而压紧测试电池，实现对测试电池的加载操作。

为了保证测试平台内部良好的密封性能，在活塞件302上可设置密封圈，使活塞件与测试平台之间形成连接的密封配合。

锁紧机构40

当两个测试电极均设置为与测试平台之间活动连接或滑动配合连接时，在对测试电极进行加载操作时，需要采用锁紧机构对另一个测试电极在测试平台上进行固定，限制该测试电极朝锁紧机构所在位置一侧方向上的运动。

作为一种可实施的结构，可将该锁紧机构设置于其所要锁紧的测试电极的外侧，形成与加载机构之间呈相对设置的结构形式。

这里的锁紧机构可包括沿测试电极轴线方向依次设置在测试平台上的锁紧杆件401和锁定件402，锁紧杆件401设置为与测试平台之间螺纹连接，锁定件402设置为与测试平台之间滑动配合连接且使其能够沿测试电极轴线方向做水平运动；优选地，锁紧杆件401、锁定件402与测试电极20位于同一轴线上。这样在调节锁紧杆件时，锁紧杆件可驱动锁定件朝靠近测试电极的方向运动，通过锁定件对测试电极的运动进行限位，以实现对测试电极在测试平台上的固定。

作为一种可选的结构形式，锁紧机构中锁紧杆件在一端与锁定件活动连接，参照图10和11，锁紧杆件401一端可套设在锁定件402一端，两者之间形成滑动配合结构，在锁紧杆件与锁定件之间设置弹性件403，弹性件403一般理解为能够发生弹性变形并提供相应的弹性作用力，这里弹性件可采用套设在锁定件上的弹簧或碟簧。这样锁紧机构在对测试电极进行限位固定后，在通过加载机构对另一侧的测试电极进行加载操作时，加载机构对测试电池的作用力在弹性件的缓冲作用下，不会发生突变，而是随弹性件的形变而逐渐增大，以更加方便对加载压力的控制。这种结构设置所带来的另一个效果是，通常测试电池在充放电过程中会发生膨胀，此时如果没有弹性件的缓冲，测试电池与测试电极之间刚性接触，测试电池产生的膨胀变形，将使加载在测试电池上的作用力发生突变，而影响测试过程中实际的加载作用力大小；因此，这里弹性件很好地起到了消除测试电池膨胀变形影响的作用，使测试过程中的测试电池能够始终处于稳定的加载压力范围内，保证测试的准确性和稳定性。

在锁定杆件401与锁定件402之间还可以设置其它的功能结构，例如，在测试结束后向反方向调节锁紧杆件时，锁紧杆件朝远离锁定件方向运动，此时该功能结构能够实现通过锁紧杆件来带动锁定件运动，使锁定件解除对测试电极的限位。如图11，该功能结构可在锁紧杆件端部设置向内的凸台结构，同时在锁定件端部设置螺钉，通过凸台结构与螺钉之间的限位配合，实现以上功能，这里不做详细说明。

在一个实施例中，为实现在测试过程中对加载作用力大小的实时检测与反馈，可在其中一个可运动的测试电极的外侧设置压力传感器304，该压力传感器可设置在测试电极与加载机构之间或测试电极与锁紧机构之间，这样在测试过程中当通过加载机构对测试电极加载时，压力传感器能够测量加载机构加载在测试电极之间的压紧作用力。

在压力传感器的设置上，当将压力传感器304设置于加载机构与测试电极之间时，此时可将压力传感器304设置在加载件303上朝向测试电极的一端，这样加载机构在对测试电极进行加载操作时，传感器就能够实现对加载作用力大小的实时检测与反馈，从而实现对待测电池加载压力大小的实时控制，从装置的测试性能上具有更好的实用性。同样地当将压力传感器设置于锁紧机构与测试电极之间时，此时可将压力传感器设置在锁定件402上朝向测试电极的一端。压力传感器相应的电源线、信号线同样可以连接到电连接器，方便对压力传感器的连接和管理。

另一方面，固态测试电池的制备对其测试性能同样有着中要的影响，本实施例中测试电池的制备包括测试电池压片操作和测试电池观测面打磨操作的步骤。

其中测试电池压片操作包括以下步骤：

S011、电解质压片操作；

电解质采用氧化物电解质、硫化物粉末电解质，或混合适当粘结剂的干燥混合粉末/团状柔性材料；

压片采用开瓣压片模具，将适量的电解质粉末或电解质粉末与粘结剂混合的粉末放置于压片模具中，加压压制得到电解质片；

为控制成片厚度以及成片的能量密度，压制的加载压力为200～500Mpa，电解质片的电解质质量密度为25～250mg/cm²，优选250mg/cm²；

S012、压制成型正极

压制得到电解质片后，打开压片模具的上方柱体，在电解质片上端面上放置与电解质片相同大小的正极极片或在端面上铺设一层正极活性物质或正极活性物质与粘结剂混合的粉末，加压压制，成型得到电池正极；

S013、压制成型负极

打开压片模具的另一侧柱体，在电解质另一端面上放置与电解质片相同大小的负极极片或在端面上铺设一层负极活性物质或负极活性物质与粘结剂混合的粉末，加压压制，成型得到电池负极；

正极/负极的制备可采用制备好的电极极片，也可以采用由电池材料混合的活性物质粉末或活性物质粉末混合粘结剂的干法电极前驱体，也可以采用锂金属/钠金属或其它合金金属电极材料；

当采用的是活性物质粉末时，加压压制的加载压力为100～500Mpa；当采用金属极片时，加压压制的加载压力为10～50Mpa，避免过大的压力导致金属极片发生蠕变，对电极、电解质带来损坏；

S014、电池脱模；打开开瓣压片模具，得到压制成型的测试电池。

在上述压片操作中，在压片成型之前，可以对所采用的电解质材料、电解质片、正负极材料在除静电箱等设备中进行除静电处理，以避免正负极材料粉末、电解质粉末在静电作用下在压片模具的腔体内飞散，导致在压制成型负极极片时，飞散的粉体连通电池的正负极引起电池短路。

在压片成型操作后，还可以采用设备吹去测试电池片上残余的粉体，以避免测试过程中粉体脱落导致电池短路，并能够清除测试电池各层截面间形成的松散粉体，避免其影响后续测试过程中电极与电解质之间界面接触对测试造成的影响，提高测试的安全性和可靠性。

该步骤制备得到的测试电池应大于最终测试电池的大小，以便于后续的打磨操作。

测试电池观测面的平整度对原位测试观测的结果有着重要的影响，在固态电池原位测试中，对固态电池进行X光电子能谱测试时，X光照射电池观测面，采集观测面反射的信号，因此对固态电池的观测面平整度具有一定的要求。若观测面不平整，测试时，凸出平面的部分没有电流流过，属于无效区域，该区域没有参与电池内部的反应，且凸出的部分会掩盖其下方部分固态电池反应所产生的现象，对实际观测的结果造成影响。在观测锂金属沉积时，部分沉积的锂金属则会隐藏在凹陷位置中，导致已经析出的锂金属不能显现出来，同样会影响观测结果；而且凹凸不同的观测面，在进行光学观测时，针对不同的位置需要对应地调整焦距才能看清楚，给观测带来很大的困难。在对固态电池进行拉曼、红外或XRD测试时，需要观测SEI膜生成的情况，或锂离子的脱出嵌入对正负极的改变情况；此时电池观测点是沿着观测面纵向线性移动，由于观测点通常是在电池观测面中随机选取的，如果观测面不平整，观测面不同位置处所呈现出的现象则不同，而所选取的观测点可能无法正确反应电池的真实情况，影响实际测试结果的判定。利用SEM观测固态时，同样需要观测面具有较高的平整度。

上述压片制备得到的测试电池的观测面往往凹凸不平，并不能适于原位测试的观测，因此需要对观测面进行打磨操作。

由于测试电池各层材料的特性，电池中间电解质层厚度较大，材料紧密，通常为陶瓷材料，硬度较两侧的正负极要大，而两侧的正负极材料薄且脆，在对观测面进行打磨时，观测面正负极材料容易成块脱落，使测试电池在边缘位置难以与电解质保持齐平，要得到打磨平整的观测面难度较大。

基于上述问题，本实施例中针对测试电极的结构特点，对观测面打磨操作进行改进，包括以下步骤：

如图12，可采用目数较小如1000目的砂纸80，将其弯折呈弧形，然后用砂纸的弧形部分沿观测面纵向方向对电解质片部分进行打磨，在测试电池的中间部分打磨出凹坑结构，如图13所示；

S022、对观测面两侧进行打磨，将观测面打磨至平齐；

如图14，将目数为3000的砂纸80平整放置，将测试电池的观测面扣在砂纸上，用较小的力度对观测面两侧进行打磨，此时用力较小，砂纸目数较低，以尽量避免电池正负极成块脱落的问题；

当观测面两侧打磨至与凹坑结构最底部平齐或接近平齐时，采用目数更大的砂纸，如10000目，对观测面进行精磨，直至观测面平齐。

该打磨方法的特点在于，结合测试电池各层材料的性能特点，先对硬度较大的部分进行打磨，打磨各个步骤中逐步提高砂纸的目数，在保证观测面平整度的同时，防止测试电池正负极位置出现成片脱落的问题，提高观测面的打磨质量。

在打磨过程中，保证打磨方向始终沿观测面的纵向方向，且使观测面与打磨面平行，以防止打磨脱落的粉体连通正负极而造成短路。

在测试电池制备完成后，采用上述原位测试装置对测试电池进行测试，测试过程包括以下步骤：

S031、将制备好的测试电池60放置到原位测试装置的测试腔103内，在此之前，可先通过锁紧机构固定一侧的测试电极，然后将测试电池60、弹片70依次放置到测试腔内，弹片分别设置于测试电池的正极端和负极端，在放置测试电池、弹片时尽量避免测试电池在测试腔中发生大的横向位移，以避免连通测试电池的正负极造成短路；在放置好测试电池后，调节加载机构，驱动另一侧测试电极运动，使两个测试电极分别与测试电池两端的弹片接触，并夹紧测试电池；在该过程中，需要对测试电池的放置姿态进行调整，沿测试电极轴线方向转动测试电池，将测试电池上作为观测面的一侧端面调整到朝向测试腔上方观察窗的方向；以方便后续的观察；

这里采用在测试电池之间设置与测试电池端面大小相同的弹片，通过弹片对测试电池进行加载操作。

在固态电池原位测试中发现，电池原位测试装置中为了方便测试过程中的观测，测试电极的截面大小往往与测试电池的截面大小不一致，通常情况是测试电池截面要大于测试电极截面。此时，在测试过程中通过测试电极对测试电池进行加载时，测试电极只能与测试电池的一部分直接接触并加载，而测试电池上没有直接与测试电极直接接触的边缘部分则实际上没有得到很好的加载作用，此时测试电池边缘部分实际上没有形成很好的电流循环，参照图15，这就使得测试电池在边缘位置处的性能表现与其中部位置处的性能并不一致，边缘部分难以达到同中部位置处一致的电子/离子传输速度，而在原位测试中观测的区域往往正是电池的边缘位置，这就直接影响到测试电池原位检测的效果及准确性。并且，固态电池原位测试过程中，测试电池通常采用比较简单的压制模具来制备，此时压制得到的测试电池与实际电池生产过程中采用特制模具成型得到的电池，在实际性能上往往也有差异，因此在采用这种测试电池来对电池性能进行模拟研究时，让测试电池各个部分保持良好的一致性，使测试电池各个部分均参与到稳定的循环就变得更加重要。

如图16，测试电池60由依次设置的集流体601、正极602、电解质603、负极604和集流体601层叠组成，当然也可以不使用集流体。正极的大小等于或小于负极，正极、负极可以采用相同的材料（即对称电池），也可以采用不同的材料（即完整的电池）。

基于测试电池在原位测试中存在的上述问题，如图17，本实施例中弹片70上与测试电极接触的一端端面上设置有凸起701，该凸起701通常可为圆形或其它形状，凸起701正好位于弹片的中心位置，使凸起与弹片位于同一轴线上；弹片70上与测试电池接触的一端端面的尺寸与测试电池端面相匹配（可理解为大小相同）或大于测试电池的端面尺寸，使弹片能够覆盖住整个测试电池端面，从而实现对测试电池各个部分充分加载；当然，一般优选弹片上与测试电池接触的一端端面的尺寸与测试电池端面正好相匹配，这样能够在对测试电池的一侧端面进行观察时，使测试电池的侧端面能够充分露出，避免因弹片的遮挡而影响观测效果。

作为一种可实施的结构，凸起701的外轮廓面为球面并朝外侧突出设置；这种结构设置也可以理解为在凸起的外轮廓面上与测试电极接触的部分为具有一定幅度的球面，凸起701与弹片该对应端面之间为圆弧过渡结构，这样凸起上至少在其与测试电极直接作用的部分为球面结构，此时能够更好地实现测试电极与弹片之间作用力的传递。

作为一种可实施的结构，弹片70上与测试电池接触的一侧端面上设置有凹陷702，这里的凹陷可理解为在弹片上形成的一个圆形或其它形状的凹坑等类似的结构；该凹陷702正好位于弹片的中心位置，使凹陷与弹片位于同一轴线上。

在一个更优的实施结构中，弹片上凹陷702的内轮廓面设置为球面，这种结构可理解为在受到测试电极的作用力作用时，测试电极的加载作用力能够更好地传递到测试电池的各个部分，并在一定程度上通过控制弹片不同位置处的变形量来避免弹片在边缘位置处发生翘起。

基于以上的作用原理，作为在结构上的进一步改进，凸起701外轮廓面的曲率半径不小于凹陷702内轮廓面的曲率半径，使弹片能够实现更好的加载效果。

作为结构上的改进，凸起701的尺寸小于弹片上对应端面的尺寸，但大于测试电极作用端面的尺寸，其能够起到的作用和效果基于弹片所要实现的功能是容易理解的。

作为结构上的改进，凹陷702的尺寸同样小于弹片上对应端面的尺寸，使弹片上与测试电池接触的一侧端面的边缘位置为与测试电池端面配合的平面，这种结构设计也是为了实现弹片在测试电极与测试电池之间更好的作用力传递，同时在防止弹片边缘翘起方面能够起到很好的效果。

作为结构上的改进，弹片70上对应凸起701、凹陷702所在位置处的厚度要大于弹片上其它位置处的厚度，能够更好地实现弹片所要实现的上述技术效果。

具体弹片70上各个位置处的厚度值、凸起的高度值/曲率半径及在弹片端面上的占比大小、凹陷的深度值/曲率半径及在弹片端面上的占比大小等可以根据弹片所采用的材料、弹片的截面尺寸、测试电极作用端面的尺寸以及加载作用力范围来综合确定，这些是通过现有的计算或仿真所容易得到的。

这里弹片70设置在测试电极与测试电池之间，需要具备导通测试电极与测试电极的能力，因此弹片通常采用具有弹性的导电材料，例如不锈钢材料等。

采用本实施例中的电池原位测试元件对测试电池进行加载测试所对应的加载效果，如图18所示，从中可以看出，采用该测试元件能够实现对测试电池各不同位置处的充分加载作用。同时，容易理解的是，采用这种测试元件后能够很好地解决测试电极作用端面与测试电池端面之间大小差异的问题，使其能够应用于各种不同规格的测试电极、测试电池的情况。

S032、继续调整加载机构对测试电极进行加载，并加载到所需的压力值，一般地测试所需的压力值范围在3～20Mpa；

盖上观测窗，对测试腔进行封闭，观测加载压力的变化；

控制测试电极内的加热元件对测试电极加热，将测试电池加热到所需的温度，一般测试温度在25℃～100℃，如加热到45℃或60℃，保温10-15h，使测试电池内部达到相同的温度，在该过程中是测试电池内部形成化学平衡，期间观测压力变化和电池电压变化；

S033、在电池温度和压力静置稳定后，将测试连接分别连接到蓝电/新威电池测试系统，对测试电池进行充放电；

从观察窗对观测面进行观测和录制；

采集测试过程中的温度、电压、电池循环信息，结合观测面的光学图像，对测试电池性能进行分析。

实施例1

Li-硫化物固态电解质-活性碳材料电池的制备

步骤1、电解质压片

采用固态电解质硫化物Li₆PS₅Cl（LPSC），称取适量粉末（30mg~200mg），加入压片模具，压制1-5次，压力为200~500MPa，时间2~5min，得到电解质片；

步骤2、极片制备

将活性炭与导电剂、粘结剂按一定比例混合，这里采用7：2：1，加入适量溶剂，混合制备得到负极浆料，将负极浆料刮涂在铜箔（也可以采用铝箔、钢箔等）上，置于烘箱中烘干，待用；

或采用干法进行制备，将活性炭与PTFE（聚四氟乙烯）进行混合，制成粉末待用；

步骤3、固态电池制备

将步骤2中制备好的极片裁剪为与电解质片一致的大小，放入步骤1中压制好的电解质片上方，使用压片模具进行加压，压力为100~500MPa，将电极与电解质片进行压合；

将锂金属片裁剪为与电解质片一致的大小，放入电解质片的另一端，使用压片模具进行加压，压力为10~50MPa；

此时即得到Li-LPSC-C固态电池，将制备的测试电池从模具中取出。

固态电池在原位测试装置中的安装

固定好一侧测试电极，将观察窗打开，将测试电池从观察窗窗口放入到测试腔内，在测试电池两端分别放置弹片，测试电池的观测面朝向观察窗方向，调节加载机构压紧测试电池，并加载至10~20Mpa；

盖上观察窗，并压紧密封；

固态电池的测试

对测试电极的加热单元通电，将测试电池加热所设定温度；

将原位测试装置放置到光学观测装置下，设置蓝电测试程序，先静置12h后进行充放电测试；12h后，电池放电开始，同时进行光学观测的视频录制，并对测试过程中的温度和压力进行记录。

观测结果：

测试电池加热温度设置为60℃，加载压力为10 Mpa，配合蓝电测试仪及光学显微镜观测结果如图19a）-19f）所示，可以看到，随电池充放电锂片一侧逐渐有白色反应物生成；如图20a）-20c）所示，电解质在放电过程中组件有裂纹产生，结合电池曲线可以判断，有枝晶生成，电解质开裂，锂金属和电解质出现副反应，从而导致电压急剧下降，电池循环中断。

说明本实施例测试方法能够很好地实现在一定温度和压力下对电池内部的原位观测表征。

实施例2

本实施例中，测试时在测试电池两端不设置弹片，且测试电池大小小于测试电极作用端的大小。

当测试电池小于测试电极的作用端端面大小时，由于测试电池所处的位置过低，且与测试电极形状不匹配，在测试过程中发现测试电池无法进行电池的充放电循环，无法实现对测试电池正负极界面在充放电状态下的原位观测，如图21、22所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.固态电池原位测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，测试电池的制备包括有测试电池压片操作的步骤，所述测试电池压片操作包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，步骤S011中，电解质片的电解质质量密度为25～250mg/cm²。

4.根据权利要求2所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，步骤S011中，加压压制的加载压力为200～500MPa；

5.根据权利要求2所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，步骤S011、步骤S012、步骤S013中，在加压压制前对电解质粉末、电解质粉末与粘结剂混合的粉末、极片、活性物质粉末、活性物质粉末与粘结剂混合的粉末进行除静电处理。

6.根据权利要求1或2所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，测试电池的制备包括有对测试电池进行观测面打磨操作的步骤，所述观测面打磨操作用于对测试电池上作为观测面的一侧端面进行打磨，包括以下步骤：

S022、对观测面两侧进行打磨，将观测面打磨至平齐。

7.根据权利要求6所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，步骤S022中，采用第一目数的砂纸将观测面两侧打磨到与条形凹坑结构最底部平齐或接近平齐时，采用第二目数的砂纸继续对观测面进行打磨，直至观测面平齐；

其中，第二目数大于第一目数，且第一目数不小于2000目。

8.根据权利要求6所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，步骤S021、步骤S022中，在打磨过程中使打磨方向始终沿观测面的纵向方向。

9.根据权利要求1所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，所述原位测试装置包括：

测试电极，所述测试电极为两个，两个测试电极在测试平台上相对设置且其一端分别伸入到测试腔内，使其能够与设置于测试腔内的测试电池相接触，至少一个测试电极在测试平台上可沿其轴线方向在测试平台上运动，使两个测试电极能相互靠近或彼此远离；

10.根据权利要求1所述的固态电池原位测试方法，其特征在于，在将制备好的测试电池放置到原位测试装置的测试腔内后，在测试电池的正极一端和负极一端分别设置一个弹片；

所述弹片上与测试电极接触的一侧端面上设置有凸起，所述凸起与弹片位于同一轴线上；所述弹片上与测试电池接触的一侧端面的尺寸与测试电池端面相匹配或大于测试电池的端面尺寸。