本实用新型涉及一种锂离子、钠离子和镁离子电池材料和电化学技术，尤其涉及一种用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置。
背景技术：
锂离子、钠离子和镁离子等二次电池，在能源储存技术中扮演着重要角色。锂离子电池已经实现商业化，广泛应用在消费电子产品市场和新能源汽车领域。与Li相比，Na的资源更丰富，价格更加低廉，钠离子电池在大规模能量存储体系领域内为其大规模应用提供了一个更好的解决方案。然而，在钠离子迁移和电极材料结构转变过程中存在的诸多问题，都需要借助先进的测试手段来解析。镁离子电池目前处于实验室研究阶段，前期的电化学机理的研究十分匮乏。因此，寻找一种有效的测试手段研究电极材料的结构性能是进一步发展高性能电池的必要途径。
X射线吸收精细结构谱(XAFS)在材料结构测定表征方面受到很多领域科学家的青睐，可以检测材料的局域结构，对原子的化学环境敏感，能够在原子尺度上给出吸收原子周围几个近邻配位层的结构信息。而且，自从具有高光亮度、高光束聚焦度、波长连续可调的同步辐射光源出现以来，同步辐射XAFS技术得到了快速发展。近几年来，XAFS技术极大地推动了人们在微观结构上对电池材料在充放电过程中的结构变化的认识。
非原位X射线吸收精细结构谱(Ex-situ XAFS)又被称为“半原位”XAFS，可以准动态观测电池材料在脱锂/嵌锂过程中局域结构和过渡金属元素价态的变化。其实验方法是待电池在测试系统上完成充放电后，将电池于手套箱中拆解，取出电极片，清洗表面电解液，用3M胶带封装。Pelliccione等采用半原位XAFS测试了二维材料CuxMnOy·nH2O在充放电过程中的局域原子结构，表明化合物中MnO6八面体结构在放电时会消失，充电时恢复。氧化物中的Cu2+在放电过程中被还原成单质铜，充电时又被氧化成Cu2+。从而进一步证明了该材料具有优良的循环稳定性(Phys.Chem.Phys.2008,18:2959-2967)。
但由于存在电压滞后现象，半原位X射线吸收谱很难做到实时分析测试。因此，随着对电极材料反应机理的认识不断加深以及发展下一代电池材料的迫切要求下，发展使用原位X射线吸收谱(In-site XAFS)势在必行。Lim等人基于同步辐射原位光源，利用高分辨X射线吸收光谱，原位表征了LiFePO4单个纳米颗粒充放电变化，为了能实现时间-空间分辨，设计了一套原位电池装置：将单片层的LiFePO4涂在Au集流体上，夹在上下相距75nm的SiNx之间，中间用聚合物导管通入电解液，负极锂片置于注射器里，注射器充满电解液，放在测试装置外。实验结果发现LiFePO4材料存在一些很小的微区，其放电时优先发生嵌锂，造成材料组成上的非均一性，产生机械内应力，造成容量损失(Science 2016；353:566-571)。
虽然基于同步辐射技术的电池原位实验得到了广泛的应用，但是这种装置与传统电池测试装置相比性能较差、稳定性差、寿命短，不能进行大倍率的测试。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置，包括负极部分、内部绝缘和压力部分、正极部分；
所述负极部分包括负极a、铍片a、橡胶圈a、负极b和四个绝缘套，所述负极a和负极b上均设有螺纹通孔、绝缘套通孔和透光通孔，所述铍片a位于负极a和负极b之间的透光通孔处，所述绝缘套嵌入于所述绝缘套通孔内并固定于绝缘固定装置；
所述内部绝缘和压力部分包括橡胶圈b、聚四氟乙烯套筒、弹簧、顶片和铍片b，所述弹簧和顶片嵌套在所述聚四氟乙烯套筒内，所述橡胶圈b、聚四氟乙烯套筒和铍片b固定于负极b和正极a之间的透光通孔处；
所述正极部分包括正极a、橡胶圈c、铍片c和正极b，所述正极a和正极b均设有螺纹通孔和透光通孔，所述铍片c位于正极a和正极b之间的透光通孔处。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置，采用可拆卸、可清洗的连接结构，具有密封性好、内部绝缘的特点，克服了现有的同类装置存在的不可重复、操作繁琐的问题，实现了原位测试可重复率高、操作简单、携带方便和降低成本的优点，适用于同步辐射X射线进行原位分析电极材料的数据的采集，可用于各类锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等储能器件物理化学性能的研究。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置的拆解结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置的组装结构示意图；
图3为本实用新型实施例的负极a的结构示意图；
图4为本实用新型实施例负极b的结构示意图；
图5为本实用新型实施例正极a的结构示意图；
图6为本实用新型实施例正极b的结构示意图；
图7实施例中采用本实用新型装置测定V2C-Sn作为工作电极的充放电曲线；
图8采用目前实验室常用的纽扣电池装置在同样的条件下测得的充放电曲线；
图9应用本实用新型装置在北京同步辐射光源1W2B光束线实验站测试的Sn的X射线吸收谱数据。
图中：
1、绝缘套；
2、负极a；2-1、半弧形通孔；2-2、螺纹通孔；2-3、绝缘套通孔；2-4、透光通孔；2-5、内层槽；2-6、外层槽；
3、铍片a；
4、橡胶圈a；
5、负极b；5-1、环形槽；5-2、半弧形通孔；5-3、透光通孔；5-4、绝缘套通孔外层槽；5-5、绝缘套通孔；5-6、螺纹通孔；5-7、负极引线孔；
6、橡胶圈b；
7、聚四氟乙烯套筒；
8、顶片；
9、弹簧；
10、铍片b；
11、正极a；11-1、螺纹通孔；11-2、半弧形通孔；11-3、层槽；11-4、透光通孔；11-5、正极引线孔；
12、橡胶圈c；
13、铍片c；
14、正极b；14-1、螺纹通孔；14-2、外层槽；14-3、透光通孔；14-4、内层槽。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本实用新型的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置，其较佳的具体实施方式是：
包括负极部分、内部绝缘和压力部分、正极部分；
所述负极部分包括负极a、铍片a、橡胶圈a、负极b和四个绝缘套，所述负极a和负极b上均设有螺纹通孔、绝缘套通孔和透光通孔，所述铍片a位于负极a和负极b之间的透光通孔处，所述绝缘套嵌入于所述绝缘套通孔内并固定于绝缘固定装置；
所述内部绝缘和压力部分包括橡胶圈b、聚四氟乙烯套筒、弹簧、顶片和铍片b，所述弹簧和顶片嵌套在所述聚四氟乙烯套筒内，所述橡胶圈b、聚四氟乙烯套筒和铍片b固定于负极b和正极a之间的透光通孔处；
所述正极部分包括正极a、橡胶圈c、铍片c和正极b，所述正极a和正极b均设有螺纹通孔和透光通孔，所述铍片c位于正极a和正极b之间的透光通孔处。
所述负极a和负极b的透光通孔的孔径满足同步辐射线站光束线光斑的大小尺寸。
所述铍片a位于所述负极a和负极b之间，放置于负极b内层的通孔槽内，并通过所述橡胶圈a固定。
所述聚四氟乙烯套筒嵌套在所述正极a内层的槽内，所述橡胶圈b套在聚四氟乙烯套筒外面。
所述铍片b嵌在顶片的通孔槽内，弹簧放置在顶片上方，顶片放置在所述聚四氟乙烯套筒内。
本实用新型中，铍片能够保证X射线的正常穿透。聚四氟乙烯套筒嵌套在正极a内层槽内，橡胶圈b套在套筒外面，起到密封和紧固的作用。铍片b能够保证电极材料内部压力均匀，弹簧能够固定顶片和铍片b，并缓冲电池内部气压，使之始终保持密封状态。正极和负极均留有用于固定用的通孔圆柱通孔，绝缘套放置在通孔圆柱体内，用于防止螺钉将正负极直接连接导致电池短路。绝缘套的材质为聚四氟乙烯(PTFE)。所述的固定连接为螺钉连接。螺钉和所有接触面之间均设有“O”型密封圈。
本实用新型的用于测试电池电极材料的同步辐射X射线吸收谱的原位装置，适用于测试电池材料的透射和荧光模式下的X射线吸收谱数据并可以重复使用的原位测试装置。本实用新型装置用于X射线透射式或荧光式原位实验法测定锂离子、钠离子或镁离子电池电极材料X射线吸收谱数据。
与现有技术相比，本实用新型在实验结束后方便拆洗和替换电极材料，做到了可重复使用，因此降低了成本和缩短了实验周期。且可用于透射式和荧光式X射线吸收谱的原位测试方法，因此可以广泛应用于各类锂离子、钠离子、镁离子电池等储能器件电极材料充放电过程的研究。
本实用新型是用于原位分析电极材料电化学性能的同步辐射X射线吸收谱装置，采用可拆卸、可清洗的连接结构，具有密封性好、内部绝缘的特点，克服了现有的同类装置存在的不可重复、操作繁琐的问题，实现了原位测试可重复率高、操作简单、携带方便和降低成本的优点，适用于同步辐射X射线进行原位分析电极材料的数据的采集，可用于各类锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等储能器件物理化学性能的研究。
具体实施例：
由图1到图6所示，本实用新型提供的是一种用于分析电极材料电化学性能的同步辐射X射线吸收谱装置，包括：负极部分、内部绝缘和压力部分以及正极部分。所述负极部分包括负极a、铍片a、橡胶圈a、负极b和四个绝缘套，所述负极a和负极b均设有螺纹通孔、绝缘套通孔和透光通孔；所述铍片a位于负极a和负极b之间透光通孔处，绝缘套用于绝缘固定整个装置。所述内部绝缘和压力部分包括橡胶圈b、聚四氟乙烯套筒、弹簧、顶片和铍片b，所述铍片b被顶片固定在正极a的透光通孔处，弹簧和顶片嵌套在聚四氟乙烯套筒内，聚四氟乙烯套筒固定于负极b和正极a之间，为了起到更好的密封和保护作用，在负极b和正极a之间设有橡胶圈b。所述正极部分包括正极a、橡胶圈c、铍片c和正极b，所述正极a和正极b上均设有螺纹通孔，所述铍片c位于正极a和正极b的之间透光通孔处，且通过螺丝使之固定，为了起到更好的密封和保护作用，在正极a和正极b之间设有橡胶圈c。
所述橡胶圈为圆环形硅胶垫或氟胶垫。
所述绝缘套的材质为聚四氟乙烯(PTFE)或有机玻璃。
将待测电极密封在所述的负极b和正极a之间的聚四氟套筒内，在正极b的正极引线孔连接一条引线作为正极，在负极a的负极引线孔连接另一条引线作为负极。
实施例1：
以V2C-Sn作为工作电极的活性物质，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作溶剂，将它与导电剂乙炔黑(AB)和粘结剂偏四氟乙烯(PVDF)研磨混合均匀，然后将此浆料均匀涂覆在铝箔上，置于110℃真空干燥箱干燥一整夜，然后在压片机上滚压使之密实，最后用切片机上切出直径为16mm的电极片。电池组装时，以下步骤需要在充有高纯氩气的手套箱内操作，水含量和氧含量均小于0.1ppm。先将正极a和正极b组合好，拧紧正极部分的四个螺丝；将聚四氟套筒卡入正极a的凹槽内，再把切好的电极片放入本实用新型装置的聚四氟套筒内，依次放上隔膜(Celegard 2400)和对电极锂片，然后滴加少量电解液(LiPF6,EC:DMC＝1:1,v/v)，再放弹簧片在锂片上，这样可以使正负极充分接触，并防止正负极晃动，把顶片放上去压实，放上橡胶圈b；最后，将负极a和负极b组装固定好，将负极部分安装在上述部件上，拧紧四个螺丝。组装好的器件结构如图2所示。
测试时，在Land电池测试系统上设置0.2C倍率，0-3.5V的电位窗口进行循环，得到充放电比容量和电压变化曲线。
为了对照实验结果，需要以同样的电极材料在纽扣电池中装电池进行测试。
图7为实施例1采用本实用新型装置测定V2C-Sn作为工作电极的充放电曲线，测试电流为0.12mA，电极质量为0.6220mg；
图8为采用目前实验室常用的纽扣电池装置在同样的条件下测得的充放电曲线，测试电流为0.14mA，电极质量为0.6960mg。
结合图7和图8可知：本实验装置在完全暴露空气的条件下测试比电容量和电压的关系曲线已经可以达到和目前实验室常用的充放电测试装置扣式电池基本吻合的程度。
实施例2：
以V2C-Sn作为工作电极的活性物质，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作溶剂，将它与导电剂乙炔黑(AB)和粘结剂偏四氟乙烯(PVDF)研磨混合均匀，然后将此浆料均匀涂覆在铝箔上，置于110℃真空干燥箱干燥一整夜，然后在压片机上滚压使之密实，最后用切片机上切出直径为16mm的电极片。电池组装时，以下步骤需要在充有高纯氩气的手套箱内操作，水含量和氧含量均小于0.1ppm。先将正极a和正极b组合好，拧紧正极部分的四个螺丝；将聚四氟套筒卡入正极a的凹槽内，再把切好的电极片放入本实用新型装置的聚四氟套筒内，依次放上隔膜(Celegard 2400)和对电极锂片，然后滴加少量电解液(LiPF6,EC:DMC＝1:1,v/v)，把弹簧片放在锂片上，这样可以使正负极充分接触，并防止正负极晃动，再把顶片放上去压实，放上橡胶圈b；最后，将负极a和负极b组装固定好，将负极部分安装在上述部件上，拧紧四个螺丝。组装好的器件结构如图2所示。
图9为应用本实用新型装置在北京同步辐射光源1W2B光束线实验站测试的Sn的X射线吸收谱数据，电极材料为V2C-Sn。由图可知，该原为装置在进行充放电的过程中可以进行透射式X射线测试，测试结果比传统的使用非原位的测试方法得到的结果更准确可靠。
另外，还可以将该装置应用在非原位测试中，本装置采用可拆卸式，方便随时打开原位装置，取出电极材料，进行其他测试。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。