一种固态电池的原位测试装置的制作方法

本发明涉及固态电池技术领域，具体为一种固态电池的原位测试装置。

背景技术：

化学能源电池在储能和转换中发挥了重要作用，在当前可用的电池技术中，锂基电池，例如锂离子电池(lib)，因为它们的能量密度较高而被认为是最有应用前景的。通常，传统的锂电池使用电阻较低的有机液体离子作为电解质，但液体电解质存在着诸多问题，如容易导致某些安全问题，寿命不足，成本高和低的能量密度等缺点。但是，全固态锂电池使用具有不可燃性的固体电解质，可以避免上述某些问题，特别是电池的安全性。因此，与液态锂电解质相比，全固态电池被认为更安全，并且具有循环寿命更长，能量密度更高，对包装和充电状态监控的要求更少等突出优点。得益于此，现在科研界对全固态电池的兴趣与日俱增。但是，若想要实现全固态电池的完全商业化，仍然有很多的问题需要解决。其中，最主要的因素就是固态电解质本身较低离子传导性能以及电极材料和电解质界面存在的大内阻。若能够解决这些问题，在考虑到其本身具备的高能量密度和安全性，全固态锂电池就有可能大规模应用在大功率电力设备中，具体如电动汽车、大型储能系统以及其他大功率电子设备中。因此，在最近几年中，有大量的研究都集中在开发全固态锂电池的固态电解质上，希望能够得到具备高离子传导性的无机电极材料。但是，对于常规的固态电解质来讲，温度参数对其的离子传导性能以及电极和固态电解质界面结构影响都极大。一般都有操作温度越高，固态电解质的离子传导性能越好的规律，而针对于电极材料和固态电解质的界面结构变化则仍然没有明确的规律可循。

目前市场上全固态电池对于温度参数依赖性的研究仅仅是将全固态电池放入烘箱或者是高温箱中进行电池性能测试，例如公开号为cn208537698u公开了一种固态电池检测装置，利用该检测装置对固态电池的发热性能进行检测，模拟不同负载检测出发热量较大超标的电池，去除不合格的电池，从电池的性能表现来反应电解质的优劣。这种做法虽然能够对现有的电解质材料进行有效筛选，但无法在不同环境温度下实现对电极材料和固态电解质界面进行光谱学结构表征。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种能够在不同环境温度下实现对固态电池的电极材料和固态电解质界面进行光谱学结构表征的原位测试装置，以解决现有无法实现对电极材料和固态电解质界面进行光谱学结构表征的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种固态电池的原位测试装置，包括主壳体、观察窗、加热装置、绝缘腔体、阳极外壳和阴极外壳，所述主壳体的内部设有容置腔，所述容置腔顶部的主壳体上设有观察口，所述观察窗封盖于所述观察口并与所述主壳体密封连接，在所述观察窗正下方的容置腔内设有绝缘腔体，所述绝缘腔体上设有水平贯穿且能够放置待测固态电池的水平通孔，在所述观察窗正下方的绝缘腔体上设有与观察窗密封连接的顶开口，所述顶开口与水平通孔连通，在所述绝缘腔体外侧的容置腔内设有为所述绝缘腔体加热的加热装置，所述阳极外壳和阴极外壳分别从主壳体相对应的两侧伸入容置腔与主壳体连接并插入所述绝缘腔体的水平通孔内。

本发明提供的原位测试装置工作前，先将待测固态电池装入绝缘腔体顶开口正下方的水平通孔内，保证从主壳体上的观察口处能够通过观察窗观察到待测固态电池，然后将阳极外壳和阴极外壳分别从主壳体相对应的两侧伸入容置腔与主壳体连接并插入所述绝缘腔体的水平通孔内固定住待测固态电池，然后通过阳极外壳和阴极外壳连接该原位测试装置外部的电池测试仪器，并开启加热装置为绝缘腔体加热，从而为待测固态电池加热，在加热过程中，利用光谱学表征仪器从观察窗中用以原位观测在不同环境温度下的待测固态电池固态电解质的结构变化以及电极材料和固态电解质界面的结构变化，实现了在不同环境温度下充放电过程中实现原位光谱数据的在线采集功能，从而实现对待测固态电池的电极材料和固态电解质界面在不同环境温度下进行光谱学结构表征的功能。

优选地，所述主壳体包括底座、隔热壳体和上封盖，所述底座上设置绝缘腔体和加热装置，在所述加热装置外侧的底座上设有固定包裹加热装置的隔热壳体，所述隔热壳体呈底部开口的中空结构，所述隔热壳体的顶端固定上封盖，在所述绝缘腔体的顶开口正上方的隔热壳体和上封盖上分别设有第一开口和第二开口，所述第一开口和第二开口连通形成所述观察口，方便后期在充放电过程中光谱学表征仪器从观察窗中用以原位观测待测固态电池固态电解质的结构变化以及电极材料和固态电解质界面的结构变化。

优选地，所述隔热壳体相对应的侧壁设有第一螺纹通孔和第二螺纹通孔，所述阳极外壳从隔热壳体的第一螺纹通孔伸入容置腔与隔热壳体连接并插入所述绝缘腔体的水平通孔的一端，所述阴极外壳从隔热壳体的第二螺纹通孔伸入容置腔与隔热壳体连接并插入所述绝缘腔体的水平通孔的另一端。

优选地，所述阳极外壳包括粗阳极段、中间阳极段和细阳极段，所述粗阳极段、中间阳极段和细阳极段依次连接形成台阶状圆柱形外壳，所述中间阳极段为外螺纹状且能够与第一螺纹通孔螺纹连接，所述粗阳极段设置于隔热壳体外侧，所述细阳极段穿过第一螺纹通孔伸入容置腔并插入所述绝缘腔体的水平通孔的一端，并使得所述中间阳极段与第一螺纹通孔螺纹连接；

所述阴极外壳包括粗阴极段、中间阴极段和细阴极段，所述粗阴极段、中间阴极段和细阴极段依次连接形成台阶状圆柱形外壳，所述中间阴极段为外螺纹状且能够与第二螺纹通孔螺纹连接，所述粗阴极段设置于隔热壳体远离阳极外壳的外侧，所述细阴极段穿过第二螺纹通孔伸入容置腔并插入所述绝缘腔体的水平通孔远离所述细阳极段的一端，并使得所述中间阴极段与第二螺纹通孔螺纹连接。

优选地，所述细阳极段和细阴极段上均套设有能够与水平通孔密封连接的第一密封圈，提高密封性，防止待测固态电池与外界空气连通。

优选地，所述加热装置包括加热炉、转接固定块和热电偶，所述加热炉设置在容置腔，所述转接固定块一端与加热炉连接，另一端伸出主壳体，所述热电偶一端靠近电热炉侧设置用于测试电热炉加热温度，另一端伸出主壳体。

优选地，所述加热炉中心设有凹槽，所述绝缘腔体嵌入在凹槽内，所述水平通孔两端对应的加热炉侧壁分别设有第一通道和第二通道，所述阳极外壳从主壳体一侧伸入容置腔贯穿第一通道并插入所述水平通孔的一端，所述阴极外壳从主壳体另一侧伸入容置腔贯穿第二通道并插入所述水平通孔的另一端。

优选地，所述绝缘腔体上的顶开口包括顶凹槽和竖直通孔，所述顶凹槽设置于绝缘腔体顶部，所述顶凹槽的底部设有与水平通孔连通的竖直通孔，所述观察窗设置于顶凹槽上，所述观察窗上设置有第二密封圈，且所述第二密封圈与顶凹槽侧壁贴合，提高密封性，防止待测固态电池与外界空气连通。

优选地，所述阳极外壳和阴极外壳的中心分别设有贯穿阳极外壳和阴极外壳的阳极孔和阴极孔，所述阳极孔和阴极孔内均设有电极引线，所述阳极孔远离主壳体的一端以及阴极孔远离主壳体的一端分别固定有连接电极引线的阳极插针和阴极插针。

优选地，还包括两个支撑座，所述支撑座通过对拉螺杆连接固定，两个所述支撑座相对的一侧依次向外设有大槽孔和小槽孔，所述阳极外壳和阴极外壳远离主壳体的一端分别固定在对应的两个所述支撑座大槽孔内，所述阳极插针和阴极插针一端分别穿过对应的小槽孔与阳极外壳和阴极外壳连接，另一端设置在支撑座外侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该原位测试装置可以从观察窗中观测在不同环境温度下的待测固态电池固态电解质的结构变化以及电极材料和固态电解质界面的结构变化，实现了在不同环境温度下充放电过程中实现原位光谱数据的在线采集功能，从而实现对待测固态电池的电极材料和固态电解质界面在不同环境温度下的进行光谱学结构表征的功能。

附图说明

图1为本发明实施例的一种固态电池的原位测试装置的结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为本发明实施例的剖视图；

图4为本发明实施例的局部示意图；

图5为本发明实施例绝缘腔体与观察窗的安装爆炸示意图；

图6为本发明实施例阳极外壳的结构示意图；

图7为本发明实施例阴极外壳的结构示意图；

图8为本发明实施例二支撑座的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图3，本实施例公开了一种固态电池的原位测试装置，包括主壳体1、观察窗2、加热装置3、绝缘腔体4、阳极外壳5和阴极外壳6，所述主壳体1的内部设有容置腔(图中标注)，所述容置腔顶部的主壳体1上设有观察口(图中未标注)，所述观察窗2封盖于所述观察口(图中未标注)并与所述主壳体1密封连接，在所述观察窗2正下方的容置腔内设有绝缘腔体4，所述绝缘腔体4上设有水平贯穿的且能够放置待测固态电池7的水平通孔41，在所述观察窗2正下方的绝缘腔体4上设有与观察窗2密封连接的顶开口42，所述顶开口42与水平通孔41连通，在所述绝缘腔体4外侧的容置腔内设有为所述绝缘腔体4加热的加热装置3，所述阳极外壳5和阴极外壳6分别从主壳体1相对应的两侧伸入容置腔与主壳体1连接并插入所述绝缘腔体4的水平通孔41内抵住待测固态电池7。

参阅图2，所述主壳体1包括底座11、隔热壳体12和上封盖13，所述底座11上设置绝缘腔体4和加热装置3，在所述加热装置3外侧的底座11上设有固定包裹加热装置3的隔热壳体12，所述隔热壳体12呈底部开口的中空结构，所述隔热壳体12的顶端固定上封盖13，在所述绝缘腔体4的顶开口42正上方的隔热壳体12和上封盖13上分别设有第一开口121和第二开口131，所述第一开口121和第二开口131连通形成所述观察口(图中未标注)，通过隔热壳体12包裹绝缘腔体4，保证了绝缘腔体4受热均匀，从而保证了待测固态电池7受热均匀，并且通过第一开口121和第二开口131连通形成所述观察口(图中未标注)，方便后期光谱学表征仪器从观察窗2中用以原位观测在不同环境温度下的待测固态电池7固态电解质的结构变化以及电极材料和固态电解质界面的结构变化，从而实现对固态电池的电极材料和固态电解质界面在不同环境温度下进行光谱学结构表征的功能。

所述隔热壳体12相对应的侧壁设有第一螺纹通孔122和第二螺纹通孔123，所述阳极外壳5从隔热壳体12的第一螺纹通孔122伸入容置腔与隔热壳体12连接并插入所述绝缘腔体4的水平通孔41的一端抵住待测固态电池7一侧，所述阴极外壳6从隔热壳体12的第二螺纹通孔123伸入容置腔与隔热壳体12连接并插入所述绝缘腔体4的水平通孔41的另一端抵住待测固态电池7另一侧。

所述观察窗2可采用光学级透光镜片，材质可选择为高透石英、蓝宝石、金刚石片等透光材质，不仅保证刚性便于密封，更高透性便于显微镜的不同放大倍数观察。

所述加热装置3包括加热炉31、转接固定块32和热电偶33，所述加热炉3设置在容置腔内底座11上，所述转接固定块32一端通过加热丝(图中未示)与加热炉31连接，另一端伸出隔热壳体12，所述热电偶一端靠近加热炉31侧设置用于测试加热炉31的加热温度，另一端伸出隔热壳体12，从而精确控制所述加热装置3的加热温度，为该原位测试装置提供不同温度环境。

所述加热炉31为圆柱体状，所述加热炉31中心设有凹槽311，所述绝缘腔体4嵌入在凹槽311内，保证绝缘腔体4均匀受热，从而保证待测固态电池7均匀受热，所述水平通孔41两端对应的加热炉31侧壁分别设有第一通道312和第二通道313，所述阳极外壳5从隔热壳体12一侧伸入容置腔贯穿第一通道312并插入所述水平通孔41的一端抵住待测固态电池7一侧，所述阴极外壳6从隔热壳体12另一侧伸入容置腔贯穿第二通道313并插入所述水平通孔41的另一端抵住待测固态电池7另一侧，所述加热炉31在第一通道312和第二通道313两侧的圆弧上还开有用于加热丝通过的圆孔(图中未标注)，加热丝连续从圆孔中穿插后最终与转接固定块32连接。

进一步的，参阅图2，在所述加热炉31正下方的底座11上还设置有用于支撑加热加热炉的支撑块14，所述支撑块14水平截面小于加热炉31的水平截面，保证加热炉31底部的侧边与底座11之间有间隙，方便加热炉31上加热丝的走线。

参阅图5，所述绝缘腔体4上的顶开口42包括顶凹槽421和竖直通孔422，所述顶凹槽421设置于绝缘腔体4顶部，所述顶凹槽421的底部设有与水平通孔41连通的竖直通孔422，通过竖直通孔422能观察到待测固态电池7，所述观察窗2设置于顶凹槽421上，所述观察窗2上设置有第二密封圈8，且所述第二密封圈8与顶凹槽421侧壁贴合。

参阅图2，所述上封盖13的第二开口131的底端设有台阶形的圆环132，所述圆环132底部穿过第一开口121并贴紧第二密封圈8来压紧观察窗2，提高密封性，防止待测固态电池7与外界空气连通。

参阅图6，所述阳极外壳5包括粗阳极段51、中间阳极段52和细阳极段53，所述粗阳极段51、中间阳极段52和细阳极段53依次连接形成台阶状圆柱形外壳，所述中间阳极段52为外螺纹状且能够与第一螺纹通孔122螺纹连接，所述粗阳极段51设置于隔热壳体12外侧，所述细阳极段53穿过第一螺纹通孔122伸入容置腔并插入所述绝缘腔体4的水平通孔41的一端抵住待测固态电池7一侧，并使得所述中间阳极段52与第一螺纹通孔122螺纹连接。

参阅图3，所述阳极外壳5中心设有贯穿阳极外壳5的阳极孔54，所述阳极孔54内设有电极引线(图中未示)，由于细阳极段53一端抵住待测固态电池7一侧，保证了电机引线能够与待测固态电池7连接，所述阳极孔54远离隔热壳体12的一端固定有连接电极引线的阳极插针55，用于与后期外部电池测试仪连接。

参阅图7，所述阴极外壳6包括粗阴极段61、中间阴极段62和细阴极段63，所述粗阴极段61、中间阴极段62和细阴极段63依次连接形成台阶状圆柱形外壳，所述中间阴极段62为外螺纹状且能够与第二螺纹通孔123螺纹连接，所述粗阴极段61设置于隔热壳体12远离阳极外壳5的外侧，所述细阴极段63穿过第二螺纹通孔123伸入容置腔并插入所述绝缘腔体4的水平通孔41远离所述细阳极段53的一端抵住待测固态电池7另一侧，并使得所述中间阴极段62与第二螺纹通孔123螺纹连接。

参阅图3，所述阴极外壳6中心设有贯穿阴极外壳6的阴极孔64，所述阴极孔64内设有电极引线(图中未示)，由于细阴极段63一端抵住待测固态电池7远离细阳极段53的一侧，保证了电机引线能够与待测固态电池7连接，所述阴极孔64远离隔热壳体12的一端固定有连接电极引线的阴极插针65，用于与后期外部电池测试仪连接，实现对待测固态电池7的充放电。

所述细阳极段53和细阴极段63上均设有环形卡槽(图中未标注)，所述环形卡槽上套设有能够与水平通孔41密封连接的第一密封圈9，提高密封性，防止待测固态电池7与外界空气连通。

本实施例的工作原理是：在该原位测试装置工作前，现将绝缘腔体4放置在加热炉31的凹槽311内，再将待测固态电池7装入绝缘腔体4竖直通孔422正下方的水平通孔41内，然后盖上隔热壳体12,向隔热壳体12两侧插入阳极外壳5和阴极外壳6，当中间阳极段52和中间阴极段62分别进入第一螺纹通孔122和第二螺纹通孔123时，转动粗阳极段51和粗阴极段61，使得细阳极段53和细阴极段63分别穿过第一通道312和第二通道313插入隔热壳体12并进入绝缘腔体4的水平通孔41内，当待测固态电池7两侧都被细阳极段53和细阴极段63抵住时，即说明待测固态电池7固定完成，并通过第一密封圈9与水平通孔41内壁密封连接，然后向顶凹槽421上盖设观察窗2，并在观察窗2上放置第二密封圈8，且所述第二密封圈8与顶凹槽421侧壁贴合，然后在所述隔热壳体12的顶端固定上封盖13，并通过第二开口131的底端台阶形的圆环132压紧并密封所述观察窗2，然后将所述阳极插针55和阴极插针65与外部电池测试仪器连接，最后开启加热装置3加热炉31为绝缘腔体4加热，从而为待测固态电池7加热，并通过热电偶33来测试加热炉31的加热温度，使得温度控制精确；在加热过程中，利用光谱学表征仪器透过第一开口121和第二开口131下方的观察窗2中用以原位观测在不同环境温度下的待测固态电池7固态电解质的结构变化以及电极材料和固态电解质界面的结构变化，实现了在充放电过程中实现原位光谱数据的在线采集功能，从而实现对待测固态电池7的电极材料和固态电解质界面在不同环境温度下进行光谱学结构表征的功能。

实施例二

参阅图3和图8，本实施例在实施例一的基础上，还包括两个用于支撑该原位测试装置的支撑座10，所述支撑座10通过对拉螺杆(图中未标注)连接固定，两个所述支撑座10相对的一侧依次向外设有大槽孔101和小槽孔102，所述阳极外壳5的粗阳极段53和阴极外壳6的粗阴极段63远离主壳体1的一端分别固定在对应的两个所述支撑座10的大槽孔101内，所述阳极插针55和阴极插针65一端分别穿过对应的小槽孔102与阳极外壳5和阴极外壳6连接，另一端设置在支撑座10外侧用于与后期外部电池测试仪连接。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。