[发明专利]原位测量锂电池材料杨氏模量和偏摩尔体积的系统和方法

说明书

本发明公开了原位测量锂电池材料杨氏模量和偏摩尔体积的系统和方法，其特征在于，包括石英外壳，石英块，石英盖板，悬臂梁结构电极，CCD相机，计算机，活性层，集流体，隔膜，极耳，对电极，隔膜，电池测试仪，所述悬臂梁结构电极为双层悬臂梁结构，包括活性层与集流体；所述石英块将悬臂梁结构电极，隔膜和对电极夹紧，用胶带将石英块粘在石英外壳的内壁上，加入电解液后，通过穿过石英盖板的极耳把悬臂梁结构电极和对电极与外部电池测试仪连接进行充放电循环，CCD相机用于原位记录电极极片在电化学循环过程中的变形并保存在计算机中，通过力学模型用来分析变形过程中曲率与材料参数、杨氏模量和充电状态之间的关系。

技术领域

本发明涉及原位测量锂电池材料杨氏模量和偏摩尔体积的系统和方法，可以实时观测复合电极随锂离子嵌入/脱出过程中力学性能的演化过程，同时结合物理模型获得复合电极材料宏观变形和微观性能的演化规律，属于锂电池测量技术领域。

背景技术

锂电池是电子设备以及电动汽车的主要能量源，是当今研究的一个热点。随着电动汽车的快速发展以及国家对新能源的大量需求，因此对于更高功率、更高容量、更长寿命以及更加安全的新一代锂电池的需求更加巨大。

应力是影响锂电池容量下降和寿命长短的一个重要因素。在锂离子嵌入和脱出活性材料的过程中，会引起活性材料发生结构的变化，进而引起活性材料体积变化和电极变形，甚至引起塑性变形、断裂和分层等。这些因素进一步影响电池在循环过程中的容量和寿命。并且，在大倍率充电过程中，这些因素对电池性能的影响更大。

由于应力变化是影响电池性能的一个重要因素，所以大量的研究工作用来模拟不同条件下电极材料的力学性能变化。目前，已经有许多实验工作，用来原位观测电极材料在锂离子的嵌入/脱出过程中形状、结构和体积的变化，这个过程对于锂离子电池的设计和优化非常重要。最理想的获得电化学循环过程中活性电极材料的变形机制和应力变化手段，就是原位观测实验。当今有多种原位测量装置用来观测电极的结构、组成和形态的变化，包括:MOSS,数字图像相关技术(Digital Image Correlation，DIC),扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy，SEM),原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，核磁共振核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)等多种测试仪器。

原位测量技术能够提供电化学循环过程中电极材料的变化，可以促进深入理解电化学扩散引起的变形过程以及反应机制。基于这些因素，Mukhopadhyay等使用光学测量的方法来原位观察薄膜电极的曲率变形。结合Stony公式，可得到电化学循环过程中电极中应力变化，同时研究了其与电势、压力之间的关系。但是，对于常见的商业电池，如包含有粘结剂、导电剂和活性颗粒的电极，其锂化过程中的应力测量仍然是个难题。因此，该装置不适合研究商业电极的力学-电化学耦合性能演化过程，不能够直接提供应力的量化值。所以本发明专利提出一种新的测试方法，可以原位测量商用多孔复合电极充放电过程中的变形，进一步获得变形过程中材料性能参数的变化规律，为应力的测量提供参数指导。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种原位测量锂电池材料杨氏模量和偏摩尔体积的系统和方法，通过调整商用复合电极的结构尺寸，结合原位电化学测试，实时记录锂离子浓度对电极变形的影响，同时开发物理模型，基于变形演化过程，分析获得商用复合电机循环过程中偏摩尔体积和杨氏模量的演化规律。