[發(fā)明專(zhuān)利]用于現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)、光力學(xué)測(cè)量的模擬電池裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410406199.8
• 申請(qǐng)日: 2014-08-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104165916A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 亢一瀾;謝海妹;田建華;單忠強(qiáng);馮明燕
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N27/403
• 分類(lèi)號(hào): G01N27/403
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新能源領(lǐng)域，特別是涉及光力學(xué)-電化學(xué)和光-電化學(xué)等測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，近些年一直是二次電池中的研發(fā)熱點(diǎn)。各類(lèi)鋰離子電池已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品和通訊工具等領(lǐng)域占據(jù)了主要市場(chǎng)，并且正逐步被開(kāi)發(fā)推廣應(yīng)用于空間和動(dòng)力電池。

在鋰離子電池中，電極充放電過(guò)程中鋰的嵌入和脫出會(huì)引發(fā)電極材料的“體積效應(yīng)”，最終導(dǎo)致電極的活性材料自身粉化、電極結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而影響電池的循環(huán)壽命。長(zhǎng)期以來(lái)許多電化學(xué)工作者致力于研究鋰嵌入和脫出所致的電極結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)，但因?yàn)閷W(xué)科和測(cè)量手段的限制，難以得到滿意的信息。而最近，隨著能源環(huán)境問(wèn)題的日益突出以及先進(jìn)光-力學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，一些光-力學(xué)方面的研究人員開(kāi)始致力于這方面的研究，并取得了很有價(jià)值的研究成果。有代表性的如V.A.Sethuraman團(tuán)隊(duì)^[1,2]，他們?cè)趲в泄鈱W(xué)窗口的模擬電池裝置上實(shí)現(xiàn)了微梁變形的原位光測(cè)實(shí)驗(yàn)，將硅晶片作為電極，通過(guò)光測(cè)法由彎曲變形推算了嵌鋰/脫鋰過(guò)程中硅薄膜的電極應(yīng)力演化與彈塑性變形。拉曼光譜在研究力學(xué)-電化學(xué)微觀機(jī)理的光側(cè)實(shí)驗(yàn)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)^[3]，它能給出由于電池充放電引起的電極結(jié)構(gòu)宏觀變形與晶格結(jié)構(gòu)微觀變形相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)信息，同時(shí)可以在微米尺度定量給出由于晶格結(jié)構(gòu)變化所致的應(yīng)力值，從而為最大程度的優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

據(jù)此，建立可實(shí)現(xiàn)原位在線測(cè)量的力學(xué)-電化學(xué)聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)是重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]M.J.Chon,V.A.Sethuraman,et?al.,Real-time?measurement?of?stress?and?damage?evolution?during?initial?lithiation?of?crystalline?silicon,Physical?Review?Letters,2011,107:045–503.

[2]V.A.Sethuraman,M.J.Chon,et?al.,In?situ?measurements?of?stress?evolution?in?silicon?thin?films?during?electrochemical?lithiation,Journal?of?Power?Sources,2010,195(15):5062–5066.

[3]Q.S.Yang,C.Q.Cui,X.Z.Lu,A?general?procedure?for?modeling?physicochemical?coupling?behavior?of?advanced?materials,Multidisciplinary?Modeling,2005,1(3):223–230.

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)-電化學(xué)、光力學(xué)-電化學(xué)等綜合測(cè)量系統(tǒng)的模擬電池裝置。

該測(cè)試系統(tǒng)中模擬電池裝置是重要部件。它應(yīng)具備的基本條件是：帶有石英光學(xué)窗口可用于各類(lèi)光譜的在線測(cè)量；電極的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)應(yīng)接近于真實(shí)電池體系，工作狀態(tài)可由電池測(cè)試儀、電化學(xué)工作站等儀器控制；電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)能避免電池安裝及工作時(shí)的狀態(tài)變化(如內(nèi)部氣體等因素)對(duì)光學(xué)測(cè)量造成的干擾；電池的安裝操作方便、安全。目前，滿足上述條件的模擬電池裝置還未見(jiàn)報(bào)道。本發(fā)明研制的一種模擬電池裝置均滿足上述要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)、光力學(xué)測(cè)量的模擬電池裝置，包括電池上蓋、電池下蓋、石英光學(xué)窗口、內(nèi)襯套、電極部分、電極壓環(huán)和導(dǎo)電連接部分；其特征是：電池上蓋上的石英光學(xué)窗口的位置低于電池上蓋注液口底部位置，使其內(nèi)部形成環(huán)形氣室，保證電極與石英光學(xué)窗口間不留存氣體；氣室直接連通電池上蓋的均布的注液孔，注入的電解液應(yīng)使液面高于石英光學(xué)窗口而又不充滿氣室。

內(nèi)襯套上方有供光通過(guò)的窗口，內(nèi)襯套側(cè)面均布電解液流通孔，電解液通過(guò)電解液流通孔、電極壓環(huán)上均布的通孔、石英片與電極表面的縫隙、氣室實(shí)現(xiàn)貫通。

電極部分由研究電極、隔膜和對(duì)電極三部分組成，依次平行于內(nèi)襯套窗口排列；對(duì)電極與電極壓環(huán)緊密接合，通過(guò)電極壓環(huán)、導(dǎo)電螺絲與外接儀器連接；研究電極的連接線經(jīng)研究電極引線槽、內(nèi)襯套上的電解液流通孔引出，依次通過(guò)導(dǎo)電螺絲、導(dǎo)電環(huán)和導(dǎo)電螺絲與外接儀器連接。

對(duì)電極電池上蓋和電池下蓋連接處通過(guò)O型圈密封。