可对金属离子电池进行原位测试的装置的制作方法

本发明涉及在电化学过程中对金属离子电池的电极材料进行原位光学和拉曼光谱测试用设备领域，特别是对于锂离子电池，也包括钠离子及钾离子等碱金属，碱土金属电池的电极材料进行原位光学和拉曼光谱测试。

背景技术：

目前锂离子电池广泛应用于可移动便携式电子设备，随着新能源产业的发展及对绿色清洁能源的需求的日益增加，价格低廉，性能稳定，循环性能优异的可充放电电池技术，包括锂离子电池及其它高容量电池技术，已成为科产研的重中之重。如何提高电池的性能以达到人们对电池容量，电池寿命及电池造价的需求的亟待解决的问题。高容量高性能的可充放电电池技术的进步依赖于对新型金属离子电池(包括钠离子，镁离子及铝离子电池)及金属空气电池的研究。电极材料是可充放电电池的重要组成部分，对电极材料在电化学充放电过程中的物理结构，化学构成及应力进行系统全面的研究，对电极材料在充放电过程中的演变及老化机理进行探索，是进一步提高电池性能的前提。目前，对金属离子电池研究手段多是非原位，即不能对电极材料在充放电过程中的变化进行时时检测，而需要在充放电到一定阶段时将电池打开，对里面的电极材料进行研究，在测试过程中，电极材料与空气中的水份和氧气会继续进行反应，或通过自放电过程改变中间产物的物理化学性质，从而严重影响实验结果的真实性。对金属离子电池进行原位研究将提供更加准确的数据，而能对金属离子电池进行原位研究的相关装置的研发还处于初始阶段，如公布号为cn108344781a的中国发明专利，公开了一种“电池测试装置”，该装置通过利用其上盖，底座及悬在底座中间的中心体为三个电极对其中的电极材料进行充放电研究。此类装置在测量时受环境和自身电阻的影响较大，同时该专利所提供的视窗的密封方式存在气体泄露的可能性，利用凸台和垫圈的方式使电极之间相互绝缘的方式只能适用于特定厚度的电极材料。所以，可以精确的通过三电极方法调控金属离子电池的充放电过程，可以系统控制电极材料之间的空间距离并在此基础上进行原位光学及拉曼光谱测试的装置仍然缺失。综上所述，对电池电极材料进行原位测试是研究如何进一步提高电池性能的有效研究手段，目前对金属离子电池的原位测试装置的研发刚刚开始，仍存在诸多问题，因此迫切需要一种可对金属离子电池的充放电过程进行精确控制，并能对电极材料进行具有高度重复性的性能测试，且装置的结构简单易于在手套箱内进行组装，装置气密性高、拆卸清洗维护方便的装置对金属离子电池进行原位光学测试和拉曼光谱测试。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：构建可对金属离子电池进行原位光学测试的装置，其中箱体包括上下两部分，底座和上座，通过o-型密封圈形成腔体将电极材料进行密封，同时三个相同的固定螺钉将通过底座螺栓孔和上座螺栓孔将测试箱主体固定；测试箱可提供二电极及三电极两种方式对电池材料进行充放电，为此底座前方有负极接口，右前部设有参比电极接口，测试箱上座右前部设有正极接口，三个接口处均有圆柱形或六边柱形凹槽，用于和另配备的香蕉插头进行连接，香蕉插头和外置电化学工作站连接，用于精确控制电流和电压，参比电极接口与负极接口分别通过参比电极连接柱与负极连接柱与放置在腔体内的参比电极材料和负极材料相连，正极接口通过凹形正极固定片与放置在腔体内的正极材料相连；上座设有一个或两个多功能气体/液体置换开口通道，可以作为气体/液体进出口，对充放电过程中所产生的气体及电解液的变化进行取样跟踪，和另配置的液体/气体转移装置配合使用，或用密封螺栓关闭通道形成密闭环境；上座的顶部开有圆形视窗开口，以便于光/激光的进出，用于采集光学或拉曼光谱信号，视窗通过可替换的玻片和o-型密封圈将箱体密封。上述的箱体，具有一个或两个多功能气体/液体置换开口通道，可对腔体的密闭性能进行检测，可提供气体采集的气路，可提供电解液采集的通路，可提供添加电解液的通路，通过关闭外置阀门，可提供气体存贮的空间，适用于金属离子电池在特定气氛下的原位测试。多功能气体/液体置换开口通道，位于箱体的侧壁，高度与电极材料相近，采用压合接头的形式进行密闭，在不需要进行气体/液体交换的情况下，通道可以用密封螺栓关闭形成密闭环境。

上述的正极固定片为凹形结构，底部有圆形开口，正极材料置于凹形内部，正极固定片与参比电极连接柱和负极连接柱之间的距离可以通过参比电极连接柱和负极连接柱的高度进行调整，为电极材料提供优化的空间距离。

上述的测试的装置具有参比电极，正极与负极三电极的设置，使用时，可以进行三电极的电化学实验测试，也可进行二电极电化学实验测试。电极接口适合插入香蕉插头与外电路连接，可对被测试电极材料进行电流电压的时时调控。

上述的测试的装置中参比电极连接柱为环形，可以在上面放置环形参比电极，参比电极与负极连接柱之间的距离可以通过调整参比电极连接柱与负极连接柱的大小来实现。

上述的测试装置中的上座中间设计有圆形的视窗开口，和硼硅酸盐玻璃，石英，蓝宝石等多种材料所制的视窗玻璃配合使用，用于光学测试及拉曼光谱测试，所述视窗开口的大小可以从1毫米到15毫米，通过视窗玻璃与上座之间的o-型圈进行密封，视窗玻璃与所研究的电极材料相接触，电极材料与所配置的光学显微镜物镜镜头之间的最小距离仅为视窗玻璃的厚度，有利于最大限度的收集光学信号，提高灵敏度。

本发明的有益效果是，可以在密闭的箱体内对电极材料进行两电极或三电极充放电调控，并通过箱体上方的视窗结构进行原位光学及拉曼光谱的测试，参比电极面积大，与负极之间的距离根据实验需要可调，可以获得准确电压信号，适用于不同厚度的电极材料的测试，电极材料与所配置的光学显微镜物镜镜头之间的最小距离仅为视窗玻璃的厚度，有利于最大限度的收集光学信号，提高灵敏度，通过多功能气体/液体置换开口通道可在箱体内提供一个可控的测试气氛，并可以进行电解液的添加与取出，也可以进行在特定气氛下金属离子电池的测试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进行进一步说明。

图1为本专利所涉及装置的示意图；

图2为本专利所涉及装置的上视图；

图3为沿着图2中a-a线的示意图；

图4为沿着图2中b-b线的示意图；

图5为本专利所涉及装置的底座内部示意图。

图6为本专利所涉及装置具有两个多功能气体/液体置换开口通道时的上视图；

图中01.基座,02.底座,03.上座,04.密封螺栓,05.多功能气体/液体置换开口通道,06.参比电极接口,07.正极接口,08.负极接口,09.视窗开口,10.视窗密封圈槽,11.箱体密封圈槽,12.正极固定片,13.参比电极连接柱,14.负极连接柱,15.底座螺栓孔,16上座螺栓孔,17固定螺钉。

具体实施方式

【实施例1】

如图1和图2所示，本发明所涉及测试箱外部主体由底座02和上座03构成，测试箱底座02前方有负极接口08，右前部设有参比电极接口06，上座03右前部设有正极接口07，三个接口内部均有圆柱形或六边柱形凹槽(图3)，用于和另配备的香蕉插头进行连接，香蕉插头和外置电化学工作站连接，用于精确控制电流和电压。上座03的顶部开有圆形视窗开口09，以便于光/激光的进出，用于采集光学或拉曼光谱信号。

如图2及图4所示，上座03左边设有多功能气体/液体置换开口通道05，采用压合接头的形式，通过密封螺栓04和聚合物压环(未在图示中标出)进行密闭，当密封螺栓04拧紧时，前端垫片被压合到多功能气体/液体置换开口通道05的通路上，为测试箱提供密闭环境。测试箱体主体的底座02和上座03由置于箱体密封圈槽11内的o-型密封圈进行密封，同时三个相同的固定螺钉17将通过上座螺栓孔16和底座螺栓孔15将测试箱主体固定。视窗开口09通过置于上座03的视窗密封圈槽10内的o-型密封圈及硼硅酸盐玻璃片或石英片或蓝宝石片等玻片进行密封，优选的玻片厚度为300微米。

如图3所示，负极接口08采用外螺纹的形式与底座02进行连接，负极接口08的前端与底座02接触处，放置有聚四氟乙烯垫片(未在图示中标出)进行密封。参比电极接口06和正极接口07采用相同的连接及密封方式。

如图3和图4所示，负极接口08与负极连接柱14通过螺纹的形式进行连接，参比电极接口06采用相同的连接方式与参比电极连接柱13连接。正极接口07前端突出与凹形正极固定片12的侧壁相接触，通过正极固定片12与正极材料连接。

使用时，按上述连接方式将底座02和上座03与参比电极接口06，负极接口08和正极接口07各部件组装，将0-型密封圈放置于箱体密封圈槽11内，然后在手套箱内，将上座03与下座接触的面正置于操作台上，于视窗密封圈槽10内安装0-型密封圈，于密封圈上放置玻片，然后依次放置正极电极片(网状电极片或中间开有孔洞的电极片)，正极固定片12和隔膜(直径大于参比电极)，并滴加电解液。将底座02正置，放置负极及环形参比电极(图5)，翻转与上座03对齐，用固定螺钉17通过三个底座螺栓孔15与上座螺栓孔16固定。在手套箱内用密封螺栓04将装置密闭。将测试装置从手套箱中移出后，通过基座01将装置放置于不同的仪器平台上，然后可通过参比电极接口06，正极接口07和负极接口08处将装置连接到外电路，通过视窗开口09即实现对电池电极材料在测试状态下的原位光学与拉曼光谱测试。

【实施例2】

如图6所示，本发明所述装置可以具有两个多功能气体/液体置换开口通道05，对金属离子电池充放电过程中所产生的气体以及电解液的变化进行研究。使用时，按实施例1中所述对装置进行安装，将密封螺栓04换成中间带有通道的螺钉，在多功能气体/液体置换开口通道05外部连接阀门，通过阀门将产生的气体或电解液导出装置，两个多功能气体/液体置换开口通道05可以互换做为出/入通道。也可以通过两个多功能气体/液体置换开口通道05添加电解液，来判断电池性能下降的原因是否是由于电解液的过度消耗引起。