[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

本發明屬于鋰離子電池技術領域，更具體地，涉及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。本發明提供的單層顆粒沉積的微型電極，可將活性顆粒相關的動力學過程(界面反應和固相擴散)從原本復雜的多過程動力學中分解出來。利用界面反應過程和固相擴散過程的特征時間差異，通過高速采集電勢可區分兩個動力學過程的響應信號，從而實現單個動力學過程分離。由此解決現有技術常規復合電極耦合多個動力學過程，不能直接而準確地評估活性材料性能或獲取材料動力學參數，以及現有技術單顆粒電極依賴精密設備且顆粒界面反應和固相擴散過程耦合仍未得到解決等的技術問題。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，更具體地，涉及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。

背景技術

鋰離子電池因其電壓高、能量密度高、循環性能好等優點，被廣泛應用于移動智能終端、小型電動設備、電網儲能以及電動汽車等領域。隨著市場對電池能量密度、功率密度、循環壽命和安全性要求的不斷提高和越來越多針對各種應用場景的定制化需求，新材料的快速研發以及電池模型化設計對行業發展具有重大意義。其中，電極活性材料(顆粒)的電化學測試分析是材料性能評估和電池仿真設計中至關重要的任務。

現有的方法通常是將活性顆粒與導電劑、粘結劑混合制備成復合電極，組裝成半電池進行電化學表征。然而，常規復合電極具有多個動力學過程(固相擴散、液相傳輸和界面反應等)耦合和電極微結構復雜的特點。在這種情況下，從電化學測試獲得的電壓信號是多個動力學過程疊加/耦合的結果，而且對制造形成的電極微結構較為敏感，往往不能直接而準確地評估活性材料性能或獲取材料動力學參數。例如在不同研究報道中，同種活性材料的動力學參數其測量值存在幾個數量級的差異，精度和可靠性較差。針對該問題，日本研究人員Uchida,Kanamura等人開發了單顆粒測量技術，實現了對單個活性顆粒的電化學分析。然而，單個顆粒(μm級)的精確處理和電化學裝置構造依賴于高精度的操縱臺，而微小電流(nA級)的可靠測量需要精密的測試設備和屏蔽環境噪聲電流。因此該技術的推廣應用仍然面臨著巨大挑戰。并且，該方法雖然簡化了電化學系統結構，但顆粒界面反應和固相擴散過程耦合的問題仍未得到解決。

鑒于此，本領域需要一種簡單、可靠的方法來對電池多動力學過程進行解耦，從而實現電極活性顆粒動力學參數的準確測量，以滿足高精度仿真的應用要求。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供了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，通過常規涂布工藝制備僅單層顆粒沉積的微型電極，可將活性顆粒相關的動力學過程(界面反應和固相擴散)從原本復雜的多過程動力學中分解出來。并利用界面反應過程和固相擴散過程的特征時間差異，通過高速采集電勢可區分兩個動力學過程的響應信號，從而實現單個動力學過程分離，解決了現有技術常規復合電極耦合多個動力學過程，不能直接而準確地評估活性材料性能或獲取材料動力學參數；單顆粒電極依賴精密設備且顆粒界面反應和固相擴散過程耦合的問題仍未得到解決等的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種用于電化學分析的單層顆粒電極，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。

優選地，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。

優選地，所述電極漿料的固含量在15wt％～30wt％之間。