[发明专利]一种原位同步观测和分析锂离子电池电极反应的方法

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种原位同步观测和分析锂离子电池电极反应的方法。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出，锂离子电池作为一种非常重要的可再生能源，已成为全世界研究的焦点。锂离子电池具有比容量高、循环寿命长、安全性能好等优点，被广泛应用于移动通讯设备、笔记本电脑和动力汽车等领域。近年来，新一代电子产品及新能源汽车的开发与应用不断扩大，使人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求，锂离子电池电极材料是锂离子电池的核心，直接影响着电池的各种性能指标。

各国学者对锂离子电极材料的研究除了探索新材料以外，对现有电极材料的研究主要集中在应用问题上，这就需要在电池体系中对电极反应过程进行更为深入的研究以取突破，而目前，锂离子电池电极材料在电极反应过程中微观组织形貌、结构和成分等物理化学性质的动态变化却无法观测，更无法进行系统地分析，

扫描电子显微镜(简称“扫描电镜”或“SEM”)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种观察手段,可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等，扫描电子显微镜可以采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现，如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。

目前，扫描电子显微镜在纳米材料研究中已经得到普遍应用，在锂离子电池电极材料研究领域更是不可或缺的表征手段，虽然，随着制造技术的发展，研究者们已经根据不同需求，对扫描电子显微镜在功能和配置上进行了相应地改进。但是，相应的改进仍然停留着对材料的静态分析或者合成阶段的跟踪观测和分析，而针对电极材料电化学反应过程的动态观测和分析，却没有相应地技术支撑。

发明内容

本发明提供一种原位同步观测和分析锂离子电池电极反应的方法，是结合扫描电子显微镜技术和电池充放电技术，对充放电过程中的锂离子电池电极材料实施跟踪观测和分析，可以对锂离子电池电极材料在电极反应过程中微观组织形貌、结构和成分等物理化学性质的动态变化进行观测，为深入研究和系统分析电池体系中的电极反应过程提供了条件，在一台计算机上同时控制扫描电子显微镜和电化学性能测试仪器，电化学反应与观测同步进行，实现了对电极材料在充放电过程中的微观形貌、结构以及成分的变化进行同步原位观测和分析的目的。

本发明的具体技术方案是：一种原位同步观测和分析锂离子电池电极反应的方法，具体是包括以下步骤：1）锂离子电池的制备：负极是金属锂、观察对象为正极、电解质是固态电解质、导电胶作为正极集流体。

2）锂离子电池的连线和封装，是在封装盒中进行连线，封装和转移。

3）电池充放电过程的观测和分析。

步骤1）所述锂离子电池包括锂离子电池电极材料，金属线，金属锂片，电解质，集流体和引线，所述的集流体是将金属线焊接成金属网；在金属网的一面叠加一层导电胶；集流体作为正极集流体，带有引线的金属锂片作为负极，集流体的一侧涂覆活性电极材料，然后分别在电极材料和金属锂片的表面涂覆形成固态电解质的浆，烘干后将电极与金属锂片上涂覆了电解质的一面紧密压合在一起，即完成锂离子电池的制备。

步骤2）所述的电池的连线和封装,具体是指在惰性气氛的手套箱中连线和封装锂离子电池体系，制作好的锂离子电池放置于封装盒中央，供观测的正极一侧向上、锂片向下放置；盒盖上设有单向阀；盒盖与盒体靠弹簧连接；电池的引线接入封装盒的内部接口，内外接口相通，外部接口连接外电路。

步骤3）所述的电池充放电过程的观测和分析具体是指封装盒固定于扫描电镜内的样品台上，所述样品台上的带有金属夹具，扫描电子显微镜电镜的观测室上设有与外部电化学测试仪器相连的导线，导线内侧接头与封装盒侧壁上的外部接口连接，控制扫描电子显微镜的计算机同时安装有控制锂离子电池体系电化学性能测试仪器的软件，在对电池充放电反应进行观测和分析的过程中，通过软件设定和改变电池充放电制度，