[發明專利]一種電池內電極材料應力監測裝置、方法以及應用

有效

• 申請號: 202110352400.9
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113108955B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 黃云輝;郭澤洲;李巖鵬;李真;孫琪真;閆志君;沈越;劉磊
• 申請（專利權）人: 江蘇集萃華科智能裝備科技有限公司
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01B11/16;H01M4/13;H01M10/052;H01M10/48
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

本發明公開一種電池內電極材料應力監測裝置、方法以及應用，屬于電池領域，裝置包括集流體、光纖、光纖光柵、極耳膠和導電金屬片，電極材料附著于集流體上，光纖被包埋在電極材料中，光纖內部刻制有光纖光柵，光纖穿出集流體之外并貼合在集流體的邊緣處，導電金屬片通過焊接方式固定在集流體的表面，且穿出集流體之外并與光纖平行，極耳膠成對粘貼在集流體外的邊緣處，并覆蓋光纖上下表面和導電金屬片的上下表面。本發明還提供以上監測裝置的制備方法和應用。本發明裝置解決了現有技術中無法原位、無損且精確獲得電池內電極材料應變的技術問題。

技術領域

本發明屬于電池領域，更具體地，涉及一種電池內電極材料應力監測裝置、方法以及應用。

背景技術

電池在工作的過程中正極和負極都在進行化學反應以將能量在化學能和電能之間進行轉換，這個過程中不僅有物質種類的變化，也伴隨著結構的變化。以鋰電池的負極為例，如果采用石墨負極，體積膨脹率約為12％，而能量密度更高的硅負極的體積膨脹率為300％，這種巨大的體積變化會帶來結構的破損從而引起電池的失效。

為了更好的了解電極材料在實際充放電過程中體積變化過程，優化電極的結構來容納體積變化帶來的應力應變，需要對其過程進行原位的監控。

目前，對電極材料結構變化的分析大多使用循環過的電池拆解后再通過電子顯微鏡觀察，這種手段雖然直觀，但是需要昂貴的設備且不能進行原位觀察。并且，該方法雖然可以得到應變的數值但是無法就應力進行定量分析。

因此，需要開發一種新型的電池內電極材料應力監測裝置或者方法。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于，提供一種電池內電極材料應力監測裝置、方法以及應用，將內部刻制有光纖光柵的光纖包埋在電池的電極材料中，根據光纖光柵中波長的變化獲得電極材料應力的變化，旨在解決現有技術中無法原位、無損且精確獲得電池內電極材料應變的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種電池內電極材料應力監測裝置，其包括集流體、光纖、光纖光柵、極耳膠和導電金屬片，其中，電極材料附著于集流體上，光纖被包埋在電極材料中，光纖內部刻制有光纖光柵，光纖穿出集流體之外并貼合在集流體的邊緣處，導電金屬片通過焊接方式固定在集流體的表面，且穿出集流體之外并與光纖平行，極耳膠成對粘貼在集流體外的邊緣處，并覆蓋光纖上下表面和導電金屬片的上下表面，采集光纖光柵中波長變化，從而獲知電極材料的應變。

進一步的，所述光纖光柵為布拉格光纖光柵，所述光纖為單模光纖，所述集流體為鋁箔或者銅箔。

進一步的，集流體、附著在集流體之上的電極材料以及包埋在電極材料之中的光纖整體形成組合體，展開的組合體呈條帶狀，條帶狀的組合體沿一端卷曲從而使組合體形成圓柱狀或者圓餅狀，獲得繞卷疊層后的應力應變實時監測結構。

進一步的，還包括電性能測試儀和光譜儀，繞卷疊層后的應力應變實時監測結構被封裝形成電池，電性能測試儀連通電池的正負極，以能實時獲得電池的電性能，光纖伸出電池外，并與光譜儀連接，光譜儀用于采集布拉格光纖光柵的布拉格波長的變化，極耳膠用于密封以防止電解液泄漏。

進一步的，一根光纖中設置有多個布拉格光柵傳感器，以監測不同部位的應力應變情況，光纖在電極材料內部呈直線或者彎曲排布。

按照本發明的第二個方面，還提供一種制備如上所述的電池內電極材料應力監測裝置的方法，先將內部刻制有光纖光柵的光纖貼合放置在集流體上，接著將電極材料漿料涂覆在集流體上，然后執行烘干工藝，待烘干后進行裁切，獲得所需形狀，最后加工形成電池。

進一步的，烘干后，將附著有電極材料的集流體沿著光纖延伸方向裁切成條帶狀，從條帶一端開始繞卷疊層，獲得呈圓柱狀或者圓餅狀的應力應變實時監測結構。

按照本發明的第三個方面，還提供一種如上所述電池內電極材料應力監測裝置的應用方法，其包括如下步驟：