CN211856411U - X射线光电子能谱电化学原位池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种X射线光电子能谱电化学原位池，包括：样品台基架、凹设于样品台基架上的样品槽、置于样品槽内的样品放置部、及设于样品台基架上的充放电测试通道，样品台基架的一侧壁设有固定柱；样品放置部设有绝缘层及样品池组件；充放电测试通道包括绝缘陶瓷组件、两个电极引脚以及两根导线，保证样品与仪器外部电化学工作仪连通。本实用新型的样品池组件形状大小可控，可实现不同电池样品以及不同组分的测量，在实现样品原位电场加载和测量的同时，还可以实现电池样品充放电循环过程中的原位XPS检测。

Description

X射线光电子能谱电化学原位池

技术领域

本实用新型涉及光电子能谱配件技术及测试方法领域，具体涉及一种电化学原位池。

背景技术

可充电锂离子电池(LIB)是用于便携式电子设备和电动车辆的最广泛使用的能量存储设备。随着市场对储能的要求越来越高，具有更高能量密度、更长使用循环寿命以及更高安全特性的LIB材料的开发工作逐步成为了锂离子电池研究领域的热点。其中，深入了解在电池在充放电循环时的反应过程、降解机理和热分解机理是研发新电池体系的重要前提。

目前关于电池充放电过程原位检测的技术取得了较大进步，包括原位X射线衍射、原子力显微镜、原位拉曼及原位红外光谱检测技术等，然而关于原位X射线光电子能谱(XPS)检测技术的报道却较为罕见。常规XPS技术检测深度一般＜10nm，可以用来分析充放电或循环寿命试验前后样品中元素化学状态，配合氩离子刻蚀技术可将探测深度范围扩大至微米级别，可实现元素化学状态随深度的变化分析。但以上测试过程的实现需要对电芯进行拆解，拆解情况的差异会对测试结果准确性造成一定的影响；此外样品的制备及转移过程也难以避免接触空气和氧气，因此较难直接测得样品表面的真实信息。

为了弥补XPS技术在电池原位检测方面的不足，国内外的研究者尝试并提出了不同的改进方法，比如中国科学院化学研究所的专利申请CN206725477U提及一种半原位X射线光电子能谱分析仪的样品转移装置，能够实现样品与外界环境隔绝的半原位转移，保证科研数据测试的有效性和准确性；XPS厂家也陆续推出了商品化的惰性气体传输器，可以保证样品在惰性气体氛围下进行转移；但以上两种转移方法依然需要设计电芯的拆解。

又如中国专利CN208766124U中提及一种XPS原位电场样品台，可以同时实现原位高低温及额外加电场条件下的原位XPS测试，样品条正表面触点芯片与待测样品一极连接，再通过导线将另一极与样品台底部金属弹片连通，通过调整测试高度使该弹片与XPS仪器真空腔体(一般为接地状态)导电接触，实现了对样品原位加电场状态下的XPS检测分析，但该方法操作相对较为复杂且很难实现锂电池原位充放电的循环过程。

鉴于上述内容，根据目标检测需求，开发一种能够简单便捷地应对电池充放电循环过程中XPS检测的X射线光电子能谱电化学原位池成为业内急需解决的问题，从而实现原位加电场，在电池充放电过程中原位检测正、负极与固体电解质界面膜(SEI)材料变化。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于锂离子电池在充放电过程中不同电压下以及不同循环次数过程中XPS检测的电化学原位池，且具备原位加电场的功能。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种X射线光电子能谱电化学原位池，其包括：样品台基架、凹设于样品台基架上的样品槽、置于样品槽内的样品放置部、以及设于样品台基架上的充放电测试通道，其中，样品台基架的一侧壁设有与传样台相连接的固定柱；样品放置部的底部设有绝缘层，绝缘层的上方设有样品池组件；充放电测试通道包括绝缘陶瓷组件、两个电极引脚以及两根导线，其中，绝缘陶瓷组件固定于与固定柱同侧的样品台基架上，绝缘陶瓷组件的侧壁上开设有两个螺钉孔，每个电极引脚设于绝缘陶瓷组件的外壁处且通过每个螺钉孔内插设的螺钉与一根导线相连接。

由此，样品放置部可用于固定样品，并保证样品与样品台基架不导电接触。充放电测试通道则可保证样品与仪器外部电化学工作仪连通。

可选择地，样品台基架的材质为不锈钢，样品槽的底面尺寸设定为30毫米×25毫米×6毫米(长×宽×高)，用于停放不同规格样品池组件。

可选择地，样品放置部的底部的绝缘层尺寸设定为26毫米×22毫米×1毫米(长×宽×厚)。

可选择地，样品池组件为绝缘陶瓷材料。

可选择地，样品池组件设定为直径为15～25毫米、高度为1～10毫米的空心圆柱体，以适用于平躺式放置电池的固定。

可选择地，样品池组件设定边长为20毫米且带有中间间隙的立方体结构，中间间隙的宽度设定为2～10毫米，以适用于立式放置电池的固定。

可选择地，对于带间隙的立方体结构的样品池组件，其底部两侧分别设置有与绝缘层相连接的滑动部件，用以根据样品厚度调整间隙宽度。

进一步的，充放电测试通道的电极引脚与仪器真空腔体中引出电流位点导电接触，引出电流位点再与真空腔体外部的电化学工作仪连通。

进一步的，充放电测试通道的两根导线分别与样品正负极连接，构成充放电回路。

进一步的，电极引脚材质设定为金属铜，导线材质设定为包裹了绝缘胶的铜丝。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)、设计简单、结构合理、造价低、操作便捷性强；样品池组件形状大小可控，可实现不同电池样品以及不同组分(正负极、截面SEI膜等)的测量；(2)、能够在样品测试位置处添加电信号，实现样品原位电场加载和测量的同时，还可以实现电池样品充放电循环过程中的原位XPS检测。

附图说明

图1示出了本实用新型的X射线光电子能谱电化学原位池的一种实施方式的结构示意图。

图2示出了本实用新型的X射线光电子能谱电化学原位池的另一种实施方式的结构示意图。

图3示出了采用图1的X射线光电子能谱电化学原位池采集的磷酸铁锂正极/硅碳负极电池的单次循环伏安曲线。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1和图2所示，作为一种非限制性实施方式，本实用新型提供的X射线光电子能谱电化学原位池，包括：样品台基架1、样品槽2、样品放置部3、以及充放电测试通道4。

其中，样品台基架1的一侧壁设有与传样台(图未示)相连接的固定柱101，从而便于样品台传送。

样品放置部3的底部设有绝缘层301，绝缘层301的上方设有样品池组件302。

充放电测试通道4包括绝缘陶瓷组件401、两个电极引脚402以及两根导线403，其中，绝缘陶瓷组件401固定于与固定柱101同侧的样品台基架1上，绝缘陶瓷组件401的侧壁上开设有两个螺钉孔，每个电极引脚402设于绝缘陶瓷组件401的外壁处且通过每个螺钉孔内插设的螺钉404与一根导线403相连接。

作为一种非限制性实施方式，如图1所示，样品池组件302设定为直径为15～25毫米、高度为1～10毫米的空心圆柱体，这种形式的样品池组件适用于加电场样品或者平躺式放置电池样品正/负极的测定。

作为另一种非限制性实施方式，如图2所示，样品池组件302设定边长为20毫米且带有中间间隙303的立方体结构，中间间隙303的宽度设定为2～10毫米，这种形式的样品池组件适用于立式电池样品截面正/负极或者SEI膜的测定。

由此，在进行测试时，样品置于样品池组件302中，两种不同样品池组件分别适用不同检测类型样品，样品池组件302与样品台之间通过绝缘层301进行隔离，采用导线6将样品与电极引脚3通过螺钉2进行连接，电极引脚402与仪器真空腔体中引出电流位点导电接触，引出电流位点再与真空腔体外部的电化学工作仪连通，形成电池充放电回路。

在该非限制性实施方式中，样品台基架1的材质为不锈钢，样品槽2的底面尺寸设定为30毫米×25毫米×6毫米，绝缘层301的尺寸设定为26毫米×22毫米×1毫米，样品池组件302为绝缘陶瓷材料，它可以是空心圆柱体结构，用于平躺式放置电池的固定，也可以是带间隙的立方体结构，用于立式放置电池的固定。

作为又一种非限制性实施方式，对于带间隙的立方体结构的样品池组件，其底部设置有与绝缘层连接的滑动部件，该滑动部件设置于样品池组件的两侧，可以根据样品厚度调整间隙宽度。

由此，在使用本实用新型的XPS检测电化学原位池时，将样品固定于样品池组件上，开启仪器外接电化学工作仪进行充放电电压、电流等参数设定，开始充放电循环伏安测试。开启X射线枪并采集不同元素谱图，可以得到不同充放电状态下的正极元素化学状态变化图谱，实现原位加电场或者循环充放电过程。图3为采用图1所示的XPS检测电化学原位池采集的磷酸铁锂正极/硅碳负极组成的锂电池单次循环伏安曲线，证明了本实用新型提供的XPS检测电化学原位池的整个回路的搭建可以正常使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，包括：样品台基架、凹设于所述样品台基架上的样品槽、置于所述样品槽内的样品放置部、以及设于所述样品台基架上的充放电测试通道，

其中，所述样品台基架的一侧壁设有与传样台相连接的固定柱；

所述样品放置部的底部设有绝缘层，所述绝缘层的上方设有样品池组件；

所述充放电测试通道包括绝缘陶瓷组件、两个电极引脚以及两根导线，其中，所述绝缘陶瓷组件固定于与所述固定柱同侧的所述样品台基架上，所述绝缘陶瓷组件的侧壁上开设有两个螺钉孔，每个所述电极引脚设于所述绝缘陶瓷组件的外壁处且通过每个所述螺钉孔内插设的螺钉与一根所述导线相连接。

2.根据权利要求1所述的X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，所述样品槽的底面尺寸设定为30毫米×25毫米×6毫米。

3.根据权利要求2所述的X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，所述样品放置部的底部的所述绝缘层尺寸设定为26毫米×22毫米×1毫米。

4.根据权利要求3所述的X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，所述样品池组件设定为直径为15～25毫米、高度为1～10毫米的空心圆柱体。

5.根据权利要求3所述的X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，所述样品池组件设定边长为20毫米且带有中间间隙的立方体结构，所述中间间隙的宽度设定为2～10毫米。

6.根据权利要求5所述的X射线光电子能谱电化学原位池，其特征在于，所述样品池组件的底部两侧分别设置有与所述绝缘层相连接的滑动部件。

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