原位光力學(xué)測(cè)量的立式電化學(xué)電池裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)等多學(xué)科交叉測(cè)量領(lǐng)域。特別涉及一種原位光力學(xué)測(cè)量的立式電化學(xué)電池裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池以其比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，已成為電子通訊設(shè)備、電子產(chǎn)品等的理想化學(xué)電源。在鋰離子電池工作中，電極材料充放電過(guò)程中由于鋰的嵌入和脫出會(huì)引發(fā)“體積效應(yīng)”，最終導(dǎo)致電極的活性材料自身粉化、脫落、電極結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而影響電池的循環(huán)壽命。目前大部分電化學(xué)學(xué)者致力于研究電極材料的結(jié)構(gòu)變化和改善電池的循環(huán)壽命，一些光-力學(xué)方面的研究人員開(kāi)始致力于電極材料的原位變形研究以掌握其化學(xué)和力學(xué)衰退機(jī)理，并取得了很有價(jià)值的研究成果。如V.A.Sethuraman[ 1-3]團(tuán)隊(duì)取得了突破性進(jìn)展。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)，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。在目前電池構(gòu)型下，僅能對(duì)微小變形進(jìn)行測(cè)量，而在電化學(xué)嵌鋰/脫鋰循環(huán)過(guò)程中，活性層與集流體的界面及活性物質(zhì)脫落狀態(tài)、鋰離子沿著厚度方向的擴(kuò)散狀態(tài)以及大變形的測(cè)量同樣重要。
[0003]目前已有的帶有石英光學(xué)窗口的模擬電池已基本能實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)以及光譜學(xué)的在線原位測(cè)量，然而針對(duì)變形的測(cè)量屬于小變形測(cè)量，對(duì)于光路的要求極高，其使用的模擬電池電極表面與透光窗口平行，只能觀測(cè)到極片的表面信息;對(duì)于鋰離子電池電極材料在充放電進(jìn)程中，對(duì)于大變形的測(cè)量、沿厚度方向的擴(kuò)散、集流體與活性層的界面情況的原位觀測(cè)都很重要，然而實(shí)現(xiàn)上述觀測(cè)對(duì)于電極結(jié)構(gòu)有特殊的要求，都需要極片橫截面與透光窗口平行，因此急需一種立式電化學(xué)電池，其橫截面與窗口平行來(lái)達(dá)到上述測(cè)量目的。
[0004]參考文獻(xiàn):
[0005][l]Sethuraman VA,Nguyen A,Chon MJ,Nadimpalli SPV,ffang H,Abraham DP,etal.Stress Evolut1n in Composite Silicon Electrodes during Lithiat1n/Delithiat1n.Journal of the Electrochemical Society.2013；160(4):A739-A46.
[0006][2]Nadimpalli SPV,Sethuraman VA,Bucci G,Srinivasan V,Bower AF,GuduruPR.0n Plastic Deformat1n and Fracture in Si Films during ElectrochemicalLithiat1n/Delithiat1n Cycling.Journal of the Electrochemical Society.2013；160(10):A1885-A93.
[0007][3]Sethuraman VA,Van Winkle N,Abraham DP,Bower AF,Guduru PR.Real-timestress measurements in lithium-1on battery negative-electrodes.Journal ofPower Sources.2012；206:334-42.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種用于現(xiàn)場(chǎng)光力學(xué)-電化學(xué)原位綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的立式電化學(xué)電池裝置
[0009]它應(yīng)具備的基本條件是:帶有石英光學(xué)窗口可實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)方法的在線測(cè)量;極片橫截面與光學(xué)窗口平行;可觀測(cè)極片的橫截面以及集流體與活性層的界面;可實(shí)現(xiàn)極片彎曲大變形的測(cè)量;具有極片厚度可自由調(diào)整的空間；可輕易改變極片的約束狀態(tài)；電極工作狀態(tài)可由電池測(cè)試儀、電化學(xué)工作站等儀器控制；電池的安裝操作方便、安全。目前，已有的模擬電池主要是觀測(cè)極片的表面，而用于觀測(cè)極片橫截面的電化學(xué)電池并未見(jiàn)報(bào)道。本發(fā)明研制的一種立式電化學(xué)電池裝置均滿足上述要求。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]—種原位光力學(xué)測(cè)量的立式電化學(xué)電池裝置;包括電池上蓋、電池下蓋、石英光學(xué)窗口、固定電極內(nèi)襯套、電極部分和導(dǎo)電連接部分，位于固定電極內(nèi)襯套底部的兩段導(dǎo)電圓環(huán)之間設(shè)置有間隙，分別為兩電極導(dǎo)通電流;電極部分由研究電極、隔膜和對(duì)電極三部分組成，并且電極橫截面與石英窗口平行排布;對(duì)電極壓片固定在固定電極內(nèi)襯套的開(kāi)口槽處；電極部分設(shè)置在對(duì)電極壓片和研究電極壓片之間，且對(duì)電極在對(duì)電極壓片一側(cè)，研究電極在研究電極壓片一側(cè)。
[0012]對(duì)電極與對(duì)電極電極壓片緊密接合，通過(guò)電極壓片、導(dǎo)電螺絲、導(dǎo)電圓環(huán)、導(dǎo)電螺絲與外接儀器連接;研究電極與研究電極壓片緊密結(jié)合，通過(guò)電極壓片、導(dǎo)電螺絲、導(dǎo)線、導(dǎo)電螺絲、導(dǎo)電圓環(huán)、導(dǎo)電螺絲與外接儀器連接。
[0013]在固定電極內(nèi)襯套的上方固定電極壓片，下方嵌入導(dǎo)電圓環(huán)。
[0014]電極壓片包含研究電極壓片和對(duì)電極壓片，兩電極壓片之間的距離可調(diào)以滿足不同測(cè)試條件需求;其中對(duì)電極壓片通過(guò)導(dǎo)電螺絲與固定電極內(nèi)襯套和導(dǎo)電圓環(huán)固定，而研究電極壓片初始時(shí)可以自由移動(dòng)，在電池極片擠壓裝配過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)電螺絲將研究電極壓片擠向?qū)﹄姌O從而固定電極。
[0015]導(dǎo)電圓環(huán)分為兩段，分別嵌入固定電極內(nèi)襯套底部，并且兩段導(dǎo)電圓環(huán)之間不接觸，從而可實(shí)現(xiàn)分別導(dǎo)電
[0016]電池上蓋留有環(huán)形氣室，能暢通注入電解液以保證無(wú)論電池如何放置(平放或立放)，整個(gè)極片完全處于電解液中，并且石英窗口與極片之間無(wú)任何氣泡。
[0017]用于原位光力學(xué)測(cè)量的立式電化學(xué)電池裝置安裝方法，如圖1所示，首先將兩個(gè)導(dǎo)電圓環(huán)(12)和(14)分別嵌入固定電極內(nèi)襯套(4)底部的環(huán)形槽內(nèi)，并保證兩導(dǎo)電圓環(huán)之間不相互接觸，分別對(duì)齊螺孔，用導(dǎo)電螺絲將導(dǎo)電圓環(huán)分別固定;使用導(dǎo)電螺絲固定對(duì)電極電極壓片(9);將電極部分(5)放入固定電極內(nèi)襯套(4)，從右到左依次放入對(duì)電極、隔膜和研究電極，并且極片的橫截面與石英窗口平行;然后放入研究電極壓片(8)，通過(guò)導(dǎo)電螺絲將研究電極壓片(8)向右擠壓，使各部分緊密接觸固定并各自導(dǎo)電;裝配好的內(nèi)襯整體嵌入電池上蓋(1)，再與帶密封圈的電池下蓋(2)擰緊;最后，分別把連接兩個(gè)電極的導(dǎo)電螺絲從電池下蓋底部的孔插入擰緊；由注液口注入電解液，至整個(gè)空腔注滿電解液，然后注液口螺絲加0型圈，擰緊密封。
[0018]作用說(shuō)明如下:
[0019]對(duì)電極壓片固定，研究電極壓片可自由移動(dòng)，從而可滿足不同測(cè)試條件極片厚度以及極片基底厚度的選擇；
[0020]兩個(gè)電極壓片的長(zhǎng)度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)極片不同的約束狀態(tài)；
[0021]固定電極內(nèi)襯套(4)底部的兩段圓環(huán)不接觸，從而可分別為研究電極和對(duì)電極導(dǎo)通電流；
[0022]固定電極內(nèi)襯套(4)與研究電極壓片(8)、對(duì)電極壓片(9)配合使用，實(shí)現(xiàn)了極片的固定，并且極片的橫截面與石英窗口平行，觀測(cè)極片橫截面，從而能完成沿著厚度方向的擴(kuò)散觀測(cè)、活性層與集流體之間的界面脫粘情況及彎曲變形等測(cè)量。
[0023]本發(fā)明電化學(xué)電池裝置的實(shí)物效果圖如本發(fā)明附圖4所示。電池上蓋、下蓋、固定電極內(nèi)襯套均為尼龍材料，玻璃窗口采用高透光性的JGS1石英玻璃，電極壓片、導(dǎo)電圓環(huán)、導(dǎo)電螺絲等均采用銅材料。
[0024]本發(fā)明的所述的電化學(xué)電池裝