[发明专利]用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，特别是涉及光力学-电化学和光-电化学等测量领域。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等突出优点，近些年一直是二次电池中的研发热点。各类锂离子电池已经在便携式电子产品和通讯工具等领域占据了主要市场，并且正逐步被开发推广应用于空间和动力电池。

在锂离子电池中，电极充放电过程中锂的嵌入和脱出会引发电极材料的“体积效应”，最终导致电极的活性材料自身粉化、电极结构损伤，进而影响电池的循环寿命。长期以来许多电化学工作者致力于研究锂嵌入和脱出所致的电极结构变化特点，但因为学科和测量手段的限制，难以得到满意的信息。而最近，随着能源环境问题的日益突出以及先进光-力学测量技术的发展，一些光-力学方面的研究人员开始致力于这方面的研究，并取得了很有价值的研究成果。有代表性的如V.A.Sethuraman团队^[1,2]，他们在带有光学窗口的模拟电池装置上实现了微梁变形的原位光测实验，将硅晶片作为电极，通过光测法由弯曲变形推算了嵌锂/脱锂过程中硅薄膜的电极应力演化与弹塑性变形。拉曼光谱在研究力学-电化学微观机理的光侧实验中具有独特优势^[3]，它能给出由于电池充放电引起的电极结构宏观变形与晶格结构微观变形相关联的实验信息，同时可以在微米尺度定量给出由于晶格结构变化所致的应力值，从而为最大程度的优化电极结构提供理论依据。

据此，建立可实现原位在线测量的力学-电化学联合测试系统是重要的。

参考文献：

[1]M.J.Chon,V.A.Sethuraman,et al.,Real-time measurement of stress and damage evolution during initial lithiation of crystalline silicon,Physical Review Letters,2011,107:045–503.

[2]V.A.Sethuraman,M.J.Chon,et al.,In situ measurements of stress evolution in silicon thin films during electrochemical lithiation,Journal of Power Sources,2010,195(15):5062–5066.

[3]Q.S.Yang,C.Q.Cui,X.Z.Lu,A general procedure for modeling physicochemical coupling behavior of advanced materials,Multidisciplinary Modeling,2005,1(3):223–230.

发明内容

本发明的目的是提供一种用于现场光学-电化学、光力学-电化学等综合测量系统的模拟电池装置。

该测试系统中模拟电池装置是重要部件。它应具备的基本条件是：带有石英光学窗口可用于各类光谱的在线测量；电极的性质及结构应接近于真实电池体系，工作状态可由电池测试仪、电化学工作站等仪器控制；电池结构的设计应能避免电池安装及工作时的状态变化(如内部气体等因素)对光学测量造成的干扰；电池的安装操作方便、安全。目前，满足上述条件的模拟电池装置还未见报道。本发明研制的一种模拟电池装置均满足上述要求。

本发明的技术方案如下：

一种用于现场光学、光力学测量的模拟电池装置，包括电池上盖、电池下盖、石英光学窗口、内衬套、电极部分、电极压环和导电连接部分；其特征是：电池上盖上的石英光学窗口的位置低于电池上盖注液口底部位置，使其内部形成环形气室，保证电极与石英光学窗口间不留存气体；气室直接连通电池上盖的均布的注液孔，注入的电解液应使液面高于石英光学窗口而又不充满气室。

内衬套上方有供光通过的窗口，内衬套侧面均布电解液流通孔，电解液通过电解液流通孔、电极压环上均布的通孔、石英片与电极表面的缝隙、气室实现贯通。

电极部分由研究电极、隔膜和对电极三部分组成，依次平行于内衬套窗口排列；对电极与电极压环紧密接合，通过电极压环、导电螺丝与外接仪器连接；研究电极的连接线经研究电极引线槽、内衬套上的电解液流通孔引出，依次通过导电螺丝、导电环和导电螺丝与外接仪器连接。

对电极电池上盖和电池下盖连接处通过O型圈密封。