[发明专利]能原位观察电极材料在充放电过程中状态变化的开放式模拟锂电池的电化学池及测试方法

说明书

一种能原位观察电极材料在充放电过程中状态变化的开放式模拟锂电池的电化学池及测试方法，所述的电化学池为一个置于无水无氧环境中的二电极体系电化学池，该二电极体系电化学池是以金属锂片为负极、薄膜电极为正极、锂电池电解液为电解液，所述的薄膜电极是在导电基体表面涂覆锂电池正极材料形成的均匀规整的薄膜，所述的锂电池正极材料为具有电致变色性能的有机小分子或有机聚合物，所述的薄膜厚度需能使薄膜呈现颜色。基于所述电化学池的电化学测试方法采用以下步骤：将电化学池通过信号线与电化学测试系统连接，进行模拟锂电池的电化学测试，通过电压的变化观察薄膜电极的薄膜颜色变化，从而实现原位观察薄膜电极材料在充放电过程中状态变化。

技术领域

本发明涉及一种用于原位观察电极材料在充放电过程中状态变化的开放式模拟锂电池的电化学池及电化学测试方法。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，对高比能量、高比功率和高安全性的电源提出更加迫切的要求。锂离子电池由于其高能量密度，循环寿命长，轻便灵巧等诸多优点成为新能源汽车的首选动力电池。锂电池正极材料的价格占锂离子电池经济的40-50％。目前为止，锂电池的正极材料主要以钴酸锂，三元材料(镍钴锰)为主。根据伦敦金属交易所资料，2017年每吨钴的现货价是51000美元，至2018年目前价格已经冲破每吨83000美元，镍的价格在同一年也上涨不少。因此，锂电池正极材料的发展也是制约锂离子电池发展的关键因素。

相对于无机过渡金属氧化物，有机或聚合物材料具有分子结构可设计，原料丰富，储能密度高等优点，更重要的是它还具备了可逆的电化学氧化还原活性以及良好的可塑性和柔韧性，一直备受人们的关注。然而，有机聚合物电极材料目前在锂离子电池领域仍然无法产业化使用，甚至目前全世界尚无有机电极材料规模化生产的厂家。主要原因有以下几点：第一、有机聚合物电极在充放电过程中存在循环不稳定，容量快速下降，低倍率的问题，这主要是由于聚合物链段在充放电过程可能伴随链段断裂，小分子或低聚物溶于电解液，致使活性物质利用率低。第二、有机聚合物的充放电机理仍然不是特别清楚。

有机聚合物锂电池的充放电机理与传统的锂电池嵌入脱出机理并不相同，目前所公认的机理主要是具有化学活性的有机聚合物发生电化学氧化或电化学还原，伴随着电荷的改变，而与之相对应的阴离子或者阳离子从电解液中转移到电极上与之中和达到电荷平衡。根据正极材料所掺杂的离子电荷的正负性不同，我们把有机锂离子电池反应分为P型掺杂和n型掺杂反应。这种在有机锂电池发生的掺杂机理与有机聚合物在电致变色领域的机理非常近似。然而，传统的锂电池测试都是在手套箱中组装成封闭的锂电池体系后进行电化学测试，在测试过程中主要有以下几个难题：(1)缺乏简便有效的方法来原位观察电极材料在充放电过程中掺杂或脱掺杂状态的变化。目前的原位XRD及原位Raman技术尚未普及，只存在部分高校。(2)观察电极材料在充放电后的状态变化，只能等锂电池充放电结束后，破坏锂电池，取出电极材料拿去表征，这不仅操作繁琐，同时一定程度上带来了安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单有效的能原位观察电极材料在充放电过程中状态变化的开放式的模拟锂电池的电化学池及基于该电化学系统的电化学测试方法，以解决封闭锂电池体系带来的表征困难问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种能原位观察电极材料在充放电过程中状态变化的开放式模拟锂电池的电化学池，所述的电化学池为一个置于无水无氧环境中的二电极体系电化学池，所述的二电极体系电化学池是以金属锂片为负极、薄膜电极为正极、锂电池电解液为电解液，所述的薄膜电极是在导电基体表面涂覆锂电池正极材料形成的均匀规整的薄膜，所述的锂电池正极材料为具有电致变色性能的有机小分子或有机聚合物，所述的薄膜厚度需能使薄膜呈现颜色。