锂离子电池的原位测试装置、组装支架及其装配方法
【技术领域】
[0001]本发明实施例涉及光学测试装置，尤其涉及一种锂离子电池的原位测试装置、组装支架及其装配方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池由于其环境友好、能量密度大、输出电压高等优点近年来在笔记本电脑、手机等电子产品中有着广泛的应用，近十年来，通过电化学测试结合X射线谱学(如X射线吸收谱)和结构表征技术(如X射线衍射)原位观测锂离子电池循环过程中元素价态及电极材料结构的变化过程，从循环机理研究出发寻找进一步提高锂离子电池循环性能的方法，是目前该领域主要的研究方法之一。
[0003]目前，国际上存在数种可进行相关原位测试的测试装置，如M.M0rcrette等人提出的Swagelok构型装置，其结构较为简单，但由于装置背面被电极占据，所以只能做反射式X射线衍射，测试时技术难度较大。同时，其采用的Be窗毒性较大，不利于人的健康。Kevin J.Rhodes等人采用的扣式电池构型从结构上非常接近实际的电池，但需要将电极材料用溅射的方法生长在Capton膜上，制备较为不便，也难以做到装置的重复利用。Aniruddha Deb等人利用CF35法兰作为基底设计了可用于X射线吸收谱的锂电池原位测试装置，其密封性良好可实现长时间工作，且采用了小窗口设计，压力比较均匀。但该装置体积过大，装配结构较复杂。另一种常用的构型称为coffee bag(咖啡包)模型，C.Villevieille等人近年来将其进一步改进，解决了传统装置压力不足所导致的极化过大的问题，是目前性能最好的装置之一，但其不能重复利用，而且装置较大，不能满足在真空腔体内传样后进行谱学研究的需要。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池的原位测试装置、组装支架及其装配方法，用于解决现有技术中存在的原位测试装置不能同时兼顾X射线吸收谱和透射式X射线衍射实验、不能兼顾可重复使用和安装简便的特点及因结构或者体积的原因不能满足在真空腔体中传样的需要等问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种锂离子电池的原位测试装置，所述锂离子电池的原位测试装置包括:出光口封装盖、第一薄膜、电极片、隔膜、锂片、锂片支撑底座、内部加压部件、电极连接板、第一密封圈、承载台、电极引线、第二密封圈、第二薄膜和入光口封装盖；
[0006]所述承载台的上表面由中心区域至外围依次设有内层槽、外层槽及第一环形槽；所述承载台的下表面设有第二环形槽；所述承载台的侧面设有连通所述内层槽的引线孔；
[0007]所述第一密封圈位于所述第一环形槽内；所述第二密封圈位于所述第二环形槽内；所述电极连接板、所述内部加压部件、所述锂片支撑底座及所述锂片由下至上依次叠置于所述内层槽内；所述隔膜及所述电极片由下至上依次叠置于所述外层槽内，且所述电极片的正面与所述隔膜的上表面相接触；
[0008]所述第一薄膜贴置于所述出光口封装盖的内表面，并与所述出光口封装盖一起固定于所述承载台的上表面；所述第二薄膜贴置于所述入光口封装盖的内表面，并与所述入光口封装盖一起固定于所述承载台的下表面；
[0009]所述电极引线一端与所述电极连接板电连接，另一端经由所述引线孔延伸至所述承载台的外部。
[0010]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述承载台为聚醚醚酮树脂圆柱体，所述内层槽底部设有一以所述承载台自身的几何中心为中心的上下贯通的第一通孔。
[0011]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述出光口封装盖内设有一凹糟及第二通孔；所述凹槽的形状为圆台状，所述圆台状凹槽的直径自所述出光口封装盖的上表面向下逐渐减小；所述第二通孔自所述凹槽的底部延伸至所述出光口封装盖的下表面。
[0012]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述第一薄膜包括X射线窗口薄膜及集流体，所述集流体位于所述X射线窗口薄膜的表面；所述X射线窗口薄膜未设有所述集流体的一面贴置于所述出光口封装盖的内表面。
[0013]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述第一薄膜包括相连的圆形区域及矩形区域，且圆形区域的未闭合的圆周与矩形区域对应连接。
[0014]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述内部加压部件为弹簧片，所述弹簧片的表面沿其周向呈波浪状。
[0015]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述电极连接板的边缘设有切边，所述切边与所述电极连接板的直径相垂直。
[0016]作为本发明的锂离子电池的原位测试装置的一种优选方案，所述出光口封盖内设有第一螺纹通孔，所述入光口封盖内设有第二螺纹通孔，所述承载台内设有第三螺纹通孔，所述第三螺纹通孔分别与所述第一螺纹通孔及所述第二螺纹通孔相对应；所述出光口封盖及所述入光口封盖分别通过螺钉固定于所述承载台上。
[0017]本发明还提供一种组装支架，适于组装上述任一方案中所述的锂离子电池的原位测试装置，所述组装支架包括:加压板、加压锥及支架底座；
[0018]所述加压板固定于所述加压锥及所述支架底座的表面；
[0019]所述加压锥与所述出光口封装盖配合连接；
[0020]所述支架底座内设有与所述承载台对应的圆槽、与所述第一薄膜和所述电极引线对应的第一切槽及第二切槽。
[0021]作为本发明的组装支架的一种优选方案，所述加压锥由上至下依次包括第一圆柱体、圆台及第二圆柱体，所述圆台的直径自所述第一圆柱体至所述第二圆柱体逐渐减小，且所述圆台的最大直径与所述第一圆柱体的直径相同，所述圆台的最小直径与所述第二圆柱体的直径相同。
[0022]作为本发明的组装支架的一种优选方案，所述加压板、所述加压锥及所述支架底座内均设有第四螺纹通孔，所述加压板通过螺钉固定于所述加压锥及所述支架底座的表面。
[0023]本发明还提供一种上述任一种方案中所述的锂离子电池的原位测试装置的装配方法，包括以下步骤:
[0024]将所述第二薄膜贴于所述入光口封装盖的内表面；
[0025]将所述第二密封圈置于所述承载台的下表面的所述第二环形槽内；
[0026]将贴有所述第二薄膜的所述入光口封装盖置于所述第二密封圈上，并将所述入光口封装盖与所述承载台用螺钉固定连接；
[0027]将与所述电极引线电连接的所述电极连接板置于所述内层槽内，且将所述电极引线从所述承载台的所述引线孔中穿出，所述电极引线和所述引线孔之间间隙用真空密封胶填充；
[0028]将所述第一密封圈置于所述承载台的上表面的所述第一环形槽内；
[0029]依次将所述内部加压部件、所述锂片支撑底座及所述锂片放置于所述内层槽中；
[0030]将所述隔膜放入所述外层槽中，并滴入预设体积的电解液，将所述电极片正面向下放置于所述隔膜上，且所述电极片的正面与所述隔膜的上表面接触；
[0031]将所述第一薄膜贴于所述出光口封装盖的内表面，将所述出光口封装盖置于所述电极片上方，将所述出光口封装盖与所述承载台用螺钉固定连接。
[0032]作为本发明的的锂离子电池的原位测试装置的装配方法的一种优选方案，所述锂离子电池的原位测试装置的装配方还包括如下步骤:
[0033]提供如上述任一方案中所述的组装支架；
[0034]在将与所述电极引线电连接的所述电极连接板置于所述内层槽内之后，将所述第一密封圈置于所述承载台的上表面的所述第一环形槽内之前，将所述承载台以入光口封装盖的外表面朝下的方式放置于所述支架底座的圆槽内；
[0035]在将所述出光口封装盖与所述承载台固定连接之后，将预先连接的加压板与加压锥设置于所述出光口封装盖的上方，且所述加压锥与所述出光口封装盖配合连接；
[0036]将所述加压板与所述支架底座固定连接，使所述加压板的下表面和所述支架底座的上表面接触；
[0037]静置预设的时间长度后，拆除所述加压板、所述加压锥和所述支架底座，将原位测试装置从所述支架圆槽内取出，完成所述装置的装配。
[0038]本发明的一种锂离子电池的原位测试装置、组装支架及其装配方法具有以下有益效果:
[0039]1)通过装置的入光口和出光口实现透射式结构，且第一薄膜与第二薄膜具有X射线透过率好的优点，可满足用一个装置实现透射式X射线衍射和透射式X射线吸收谱研究的需要，简化了实验过程；
[0040]2)采用X射线透过率很好的高分子膜作为窗口，兼顾了透射式X射线吸收谱的研究，做到用一个装置进行两种实验，消除了不同样品所造成的测量误差；
[0041]3)在探测面采用圆锥面设计，通过计算获得满足X射线衍射所需探测面大小的最小孔径，减少了电池组装过程中的压力不均匀性。同时增加了外部加压装置，采用内外同时加压的方式来增加电池各层之间接触，进一步消除了因封装时压力不均匀所导致的实验误差;
[0042]4)采用软对软密封圈密封方式，全程冷封装，密封性好，不会对电池结构造成破坏，也最接近商业扣式电池的封装过程；
[0043]5)主体直径仅25mm，小于目前主流腔体传样管道的内径38mm，完全满足传样需要，可采用传递杆机构进行传递；