[發明專利]一種用于電化學分析的單層顆粒電極以及電化學分析方法

在審

• 申請號: 202210380596.7
• 申請日: 2022-04-12
• 公開（公告）號: CN114778633A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 張云;熊若愚;周華民;陳舒怡;李茂源;李龍輝;周孟源;李德群
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30;G01N27/40;G01N27/403;G01N27/416
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 彭翠;張彩錦

1.一種用于電化學分析的單層顆粒電極，其特征在于，其為將包含電極活性顆粒、粘結劑和導電劑的電極漿料涂覆到集流體上，干燥后得到的電極極片；其中，所述極片上分布的電極活性顆粒其顆粒密度系數X_A小于或等于0.05。

2.如權利要求1所述的單層顆粒電極，其特征在于，所述顆粒密度系數X_A通過式(1)計算得到：

其中m_ap、ρ_ap分別為所述電極漿料中電極活性顆粒的總質量和材料密度，l為電極漿料涂覆到集流體上的涂布間隙,R_ap為電極活性顆粒的顆粒平均等效半徑，V為漿料總體積，n_A為所述電極極片單位面積上的電極活性顆粒的個數。

3.如權利要求1所述的單層顆粒電極，其特征在于，所述電極漿料的固含量在15wt％～30wt％之間。

4.如權利要求2所述的單層顆粒電極，其特征在于，所述電極活性顆粒的最大尺寸為30-40μm，所述涂布間隙為35-50μm，且所述涂布間隙大于所述電極活性顆粒最大尺寸的0-50％。

5.一種基于如權利要求1至4任一項所述的單層顆粒電極進行電化學分析的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：將所述單層顆粒電極組裝成三電極結構或電池結構；并使所述三電極結構或電池結構完全浸沒于電解液中；

步驟二：對所述三電極結構或電池結構進行電化學測試，測試程序中包含階躍電流的輸入和響應電壓的高速采集；

步驟三：基于步驟二的電壓高速采集段，根據不同時段電壓響應的速率差異，區分出不同的動力學過程，并提取對應的過電勢；所述動力學過程包括電極活性顆粒中的固相擴散過程和電極活性顆粒-電解液的界面反應過程；

步驟四：根據步驟三提取的界面反應過電勢和固相擴散過電勢信息，結合模型估算出相應界面反應動力學參數和固相擴散系數。

6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟一中，在所述三電極結構中，所述單層顆粒電極作為工作電極，鋰金屬作為對電極和參比電極；所述工作電極與對電極之間設置有聚合物多孔隔膜，且所述工作電極、對電極和參比電極三者的平面緊密接觸；

在所述電池結構中，所述單層顆粒電極作為正極，鋰金屬作為負極；所述正極和負極之間設置有聚合物多孔隔膜，且所述正極、所述聚合物多孔隔膜和所述負極三者的平面緊密接觸。

7.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟二中，所述階躍電流包括兩種：(1)正向階躍電流信號，即從無電流輸入到瞬間施加恒定電流；(2)反向階躍電流信號，即從施加恒定電流到瞬間中斷電流；

所述響應電壓的高速采集的時間長度為階躍信號施加后10s以內；

優選地，所述階躍信號的過渡時間τ≤10ms；所述響應電壓的高速采集其采集頻率f_c≥100Hz。

8.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟二所述電化學測試具體包括以下測試中一種或多種：

(1)分段充/放電測試以獲得電壓隨固相鋰濃度的變化關系；

(2)對稱充/放電測試以獲得電壓隨電流的變化關系；和

(3)電解質濃度依賴測試以獲得電壓隨電解液中液相鋰離子濃度的變化關系。

9.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟三根據不同時段電壓響應的速率差異，區分出不同的動力學過程并提取對應的過電勢，具體為：電壓變化最緩慢的階段對應所述電極活性顆粒中的固相擴散過程，次緩慢的階段對應顆粒-電解液界面反應過程；其余快速變化階段則對應所述電極活性顆粒與集流體界面的電子傳導過程，以及在所述電池結構中鋰金屬界面的動力學過程。

10.如權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟四所述模型為Butler-Volmer動力學模型、Tafel動力學模型、Marcus動力學模型或Fick擴散模型。