[发明专利]一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位CT成像装置

说明书

本发明公开了一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位CT成像装置，涉及锂电池技术领域。该具有压力施加和探测功能的锂电池原位CT成像装置，包括原位测试装置，原位测试装置由压力驱动部分、压力传感器、活动压头、外壳体、程序控制箱和原位成像电池组成；原位测试装置的输入端分别连接有电池测试仪和X射线CT成像仪；压力传感器设置在压力驱动部分的顶部，压力驱动部分通过主控电机来驱动，达到为研究人员彻底解决同一体系在不同压力环境条件下、实时监测内部压力条件变化的同时，对整个电池体系在整个充放电过程中实现X射线CT成像或其他X射线技术的表征，获取高质量的原位结构信息，从而为研究人员解决上述问题提供切实可行的手段。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体为一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位CT成像装置。

背景技术

锂(离子)金属电池为其他电池化学材料提供了一个有吸引力的替代品，部分原因是高能量存储密度、功率传递密度和有竞争力的成本。这使得其成为电动汽车(EV)应用中的首选解决方案。为了利用锂(离子)金属电池的高能量和高功率密度的优势，在电动汽车电池组的设计和组装中，电池的包装需要非常紧凑以抑制其形变。同时，已有的报道已经证实袋形电池在循环过程中，在垂直于电极堆栈的方向上将有6％的膨胀。因此，对电池组施加严格的约束(外加压力)，以保持包装的紧凑性，保持电池组件之间的接触，提供良好的热接触，将能够有效防止电池运行过程中的分层和变形。与此同时，考虑到紧凑的封装和锂离子金属电池本身的刚性约束，在封装水平上，由于电池系统的潜在过热，也会导致安全问题。因此，如何更加有效的理解外加施压条件对商业电池的性能提升和安全防范对于未来发展高性能、高安全性电池体系有着积极的意义。

以往的研究表明，外部压力会影响锂离子电池的循环寿命，当其分布不均匀时，会导致不均匀老化和性能衰减。据报道，棱柱形电池比由相同电极制成的圆柱形电池老化得更快。这种差异归因于棱柱状电池结构中较低的堆叠压力，导致在循环过程中，具有孤立的或较少可接近的颗粒的阳极孔隙率增加。相反，Arnold等人对商业袋电池的研究表明，高堆压力会导致更高的容量衰减，而小堆压力(～0.1MPa)有利于延长使用寿命。此外，外加压力也被证明以相反的方式影响锂电镀；Ptzel等人的研究表明，圆柱形电池核心的镀锂比表面少，而Bach等人的研究显示，在高压特征区域的镀锂更多。因此，进一步研究外加压力对电池内部电极表界面微观结构的变化，及其影响仍然具有十分重要的应用意义。

相比于液体电解质来说，使用不可燃固体电解质的全固态电池(ASSB)因其使金属锂作为阳极成为可能，从而大大增加了锂电池能量密度的潜力而受到越来越多的关注。但采用固态电解质也有其不足之处，如锂离子在电极材料中的脱嵌将在一定程度上导致其体积变化增大，这将会造成电极材料之间存在着一定机械应力，而这种机械应力在固态电解质中将会比在液态电解质中体现的更加明显，带来的锂电池容量衰减以及危险性更大。在电池中若使用液体电解质，所有产生的机械应力保留在初级粒子和次级粒子中活性材料，因为电极粘合剂是塑料，而液体电解质不传递应力，因此对于电池外壳的冲击始终保持在一个有限的范围内。但在固态电解质的全固态电池中，固态电解质(SEs)的情况发生了巨大变化，当固态电解质应用的微结构将经历机械压力，并且本身还可能会受到局部体积变化的影响。因此，对于固态锂电池来讲，在其正常工作的时候就需要考虑在外部对其施加一定的压力来对抗这种内部的应力，这一点对于全固态电池来说显得特别重要。而考虑到在不同的全固态电池体系中，其机械的空间分布会很容易受到实际电池中复杂固相和孔隙率不同分布所带来的不同应变和应力影响，因此，如何保证电极材料和固态电解质之间的机械应力平衡问题，对于电池中的电荷转移起着至关重要的作用。事实上，一方面，不利的电极材料应力组合可能会对电极产生机械方面的损害从而影响电池性能。另一方面，也可以利用化学机械作用在机械成型步骤中降低电极材料的孔隙率。虽然，过去已经有研究来试图解决主动和被动电池组件的机械问题以及全电池的机械膨胀问题，但电极材料中电荷与体积变化的依赖性问题，体积受限的固态电池中所产生的压力变化以及外部压力引起的电池电压变化的问题都尚未得到系统地处理。因此，通过对全固态电池施加不同外部压力来对其整体电池性能进行评估对于提升全固态电池的应用是具有十分重要的科学研究意义的。