电极材料中锂离子浓度分布与变形场同步原位测量系统的制作方法

本发明属于新能源领域，具体是一种电致变色电极内锂离子分布和电极变形场同步测量的原位实验系统，应用于锂离子电池中电极材料内部力-电化学多变量耦合扩散过程中锂离子浓度场和变形场的同步测量。

背景技术：

锂离子电池因能量密度高、功率高、自放电率低、无记忆效应且绿色环保等众多优点而倍受关注，是目前最常见的能量转移与储存设备之一。锂离子在电极材料中的固相扩散是电池充放电过程中的基本环节，是一个力-电化学多变量耦合驱动的复杂过程。电极材料中锂离子扩散会造成电势变化和电极变形，变形产生的扩散应力会引起电极材料机械性能退化和电池循环稳定性衰减，此外，扩散引发的应力又会反过来影响电势和锂离子的扩散过程。目前，各种光学、光谱学的测量技术被用于分析电极内锂离子的扩散过程，如用中子散射测量电极中锂离子的质量分布，用x射线衍射测量锂离子嵌入引起的微观结构变形、用数字图像相关技术测量嵌锂引起的电极变形等。但是，目前关于锂离子传输过程和电极变形的实验测量往往彼此独立，单一的测量方式导致结果只能给出单独的锂离子分布信息或电极变形信息，针对锂离子分布及其引起的电极变形间的耦合过程缺少一种有效的、多信息的实验测量方法。为探究锂离子扩散与电极变形间的耦合机理，急需发展一种包含多种测量方式、且不同测量方式可同时进行并彼此互不影响的测试系统，以实现电极中锂离子扩散和电极变形信息的同步测量。

技术实现要素：

为解决现有测试技术无法同时给出锂离子扩散期间电极内浓度场和变形场信息的问题。本发明针对具有电致变色属性的电极材料，提供一种可同时测量电极内部锂离子分布和电极变形的原位测量系统；该系统包含两套互不影响的图像采集光路，可实现电致变色电极材料嵌/脱锂期间，同一电极区域中变形信息和锂离子空间分布信息的同步、原位测量。

本发明解决问题所采用的技术方案为：

电极材料中锂离子浓度分布与变形场同步原位测量系统；其特征是系统包含两套两套图像采集光路，实现电致变色电极材料嵌/脱锂期间，同一电极区域中变形信息和锂离子空间分布信息的同步、原位测量。

所述的两套图像采集光路为灰度图像采集光路和彩色图像采集光路；测量系统由图像采集装置、灰度图像采集光路、彩色图像采集光路、模拟半电池装置、电池测试仪、和光学平台组成。

所述的电极灰度图像采集光路包括单色ccd摄像机、镜头、滤波片、单色光源；电极颜色图像采集光路包括彩色cmos摄像机、镜头、白色光源；

灰度图像采集光路的联接方式是将装有镜头和滤波片的单色ccd摄像机由支架固定在光学平台上，单色ccd摄像机距离光学平台表面约20～30厘米；将单色ccd摄像机与图像采集装置连接；调整单色ccd摄像机，使其光轴呈竖直方向，处于模拟半电池装置光学观测窗口的竖直正上方；灰度图像采集光路的光线由电池装置出发，依次通过滤波片、镜头、单色ccd摄像机；彩色图像采集光路的联接方式是将彩色cmos摄像机由支架固定在光学平台上，使其与单色ccd摄像机处于同一高度；将彩色cmos摄像机与图像采集装置连接；调整彩色cmos摄像机，使其光轴与单色ccd摄像机光轴并行排列，处于同一竖直平面，且使其光轴与单色ccd摄像机光轴的夹角不超过30度；彩色图像采集光路的光线由电池装置出发，依次通过镜头、彩色cmos摄像机；单色光源、白色光源、模拟半电池装置以及电池测试仪均处于光学平台上，其中，单色光源、白色光源放置在模拟半电池装置光学观测窗口的四周；模拟半电池装置充放电过程中，灰度图像采集光路工作时，仅有单色光源作为照明源，用于采集嵌脱锂期间电极的灰度图像；彩色图像采集光路工作时，仅有白色光源作为照明源，用于采集嵌脱锂期间电极的彩色图像。所述的两套图像采集光路均放置在光学平台上，以避免外界振动对图像采集的影响

电极灰度图像采集光路包括单色ccd摄像机1台、镜头1个、滤波片1个、单色光源2个；电极颜色图像采集光路包括彩色cmos摄像机1个、镜头1个、白色光源2个。

所述的模拟半电池装置是电极上方带有玻璃观测窗口，通过窗口可以展示正在进行嵌/脱锂的电极材料。

所述的电池测试仪用于对模拟半电池装置进行充放电实验，对电极材料进行嵌锂和脱锂。

所述的图像采集装置为安装了图像采集卡的计算机，可对两套图像采集光路采集到的图像进行同时的、分别的采集与记录。

本发明的电极材料中锂离子浓度分布与变形场同步原位测量系统实验操作方法；其特征是步骤如下：

1)用电池测试仪对模拟半电池装置进行充放电实验，设置放电期间，锂离子嵌入电极，充电期间，锂离子脱出电极；

2)电极嵌脱锂期间，用灰度图像采集光路原位实时采集实验所需状态下的电极灰度图像；

3)在灰度图像采集光路工作的同时，彩色图像采集光路同步记录同一状态下的电极表面同一区域的彩色rgb图像；为消除两个光路照明源对彼此的影响，手动切换光路照明源，两套光路系统的采集工作穿插进行，使得在彩色图像采集时仅开启白色光源，灰度图像采集时仅开启单色光源；灰度图像与彩色图像采集的时间间隔不超过10秒，由于锂离子固相扩散系数的数量级为10^-8～10^-10cm²/s，所以采集的时间间隔对实验测量结果产生的影响较小，可忽略，近似认为两种图像的采集是同步的；

4)图像分析：利用数字图像相关技术dic对电极中某位置的灰度图像进行相关性分析，得到锂离子扩散期间该位置的变形信息；基于电极颜色与其嵌锂浓度的对应关系，利用电极彩色图像得到同一空间位置的锂离子浓度分布信息。

所述的两套光路系统的采集工作穿插进行，切换相关光源用时不超过10s，使得在彩色图像采集时仅开启白色光源，灰度图像采集时仅开启单色光源，由于灰度图像与彩色图像采集的时间间隔≤10秒，故忽略不计，近似认为两种图像的采集是同步的。

本发明所述实验测试系统的创新性和实用性如下：

(1)该测试系统包含两套图像采集光路——灰度图像采集光路和彩色图像采集光路，两套光路交替工作，互不干扰，分别用于锂离子扩散过程中电极灰度图象和彩色图象的原位、实时采集。由于两套采集光路交替工作的时间间隔非常短，所以认为两套光路的图像采集是同步的。

(2)基于电极灰度图像的相关性分析和电致变色电极材料的颜色与材料内部嵌锂量的对应关系，测量结果可同时给出扩散过程中，电极同一区域的变形信息以及对应的锂离子空间分布信息。

附图说明

图1双光路协同原位测量系统示意图；

图2.石墨电极嵌锂过程中电池电势随时间的变化；

图3.石墨电极的彩色图像以及锂离子浓度分布(a)对应的电极应变云图(b)。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的步骤过程作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

以石墨电极为例，结合图1对本发明做进一步的详细说明。利用双光路协同原位测量系统测量石墨电极嵌锂期间电极的变形以及对应的锂离子分布，测量过程分为以下步骤：

(1)模拟半电池装置的组装

组装模拟半电池装置，电池负极为金属锂片、正极为石墨电极，电解液为石墨电极电解液；用land2001a型电池测试仪对模拟半电池装置进行恒流嵌锂实验，嵌锂电流密度为53ma/g。图2为电池测试仪记录的嵌锂期间电池电压随嵌锂时间的变化，曲线表明石墨电极嵌锂实验正常进行；本具体实施例详细给出了电压-时间曲线上，星形标记点对应时刻2小时的锂离子浓度空间分布和电极变形的测量过程。

(2)双光路协同原位测量

双光路示意图如图1所示，测量系统由安装了图像采集卡的计算机图像采集装置、灰度图像采集光路、彩色图像采集光路、模拟半电池装置、land2001a型电池测试仪组成，测量系统整体放置在光学平台上；其中，电极灰度图像采集光路包括单色ccd摄像机1台、显微放大镜头1个、滤波片1个、单色光源2个；灰度图像采集光路的联接方式是将装有镜头和滤波片的单色ccd摄像机由支架固定在光学平台上，单色ccd摄像机距离光学平台表面约20厘米；将单色ccd摄像机与图像采集装置连接；调整单色ccd摄像机，使其光轴呈竖直方向，处于模拟半电池装置光学观测窗口的竖直正上方；灰度图像采集光路的光线由电池装置出发，依次通过滤波片、镜头、单色ccd摄像机；电极颜色图像采集光路包括彩色cmos摄像机1个、显微放大镜头1个、白色光源2个；彩色图像采集光路的联接方式是将彩色cmos摄像机由支架固定在光学平台上，使其与单色ccd摄像机处于同一高度；将彩色cmos摄像机与图像采集装置连接，调整彩色cmos摄像机，使其光轴与单色ccd摄像机光轴并行排列，处于同一竖直平面，且使其光轴与单色ccd摄像机光轴呈25°夹角；彩色图像采集光路的光线由电池装置出发，依次通过镜头、彩色cmos摄像机；单色光源、白色光源放置在模拟半电池装置光学观测窗口的四周；模拟半电池装置充放电过程中，灰度图像采集光路工作时，仅有单色光源作为照明源，用于采集嵌脱锂期间电极的灰度图像；彩色图像采集光路工作时，仅有白色光源作为照明源，用于采集嵌脱锂期间电极的彩色图像。

配合单色光源，灰度图像采集光路通过电池装置的光学观测窗口，采集并记录嵌锂期间石墨电极的灰度图像；光路的光轴垂直于石墨电极表面，见图1，设定采集频率为1次/30秒；灰度图像采集光路工作的同时，彩色图像采集光路，配合白色光源，通过电池装置的光学窗口，记录嵌锂期间石墨电极表面同一区域的彩色图像，设定采集频率为1次/30秒；为避免两种光源的相互影响，两套光路系统的采集工作需穿插进行，即在采集彩色图像时仅开启白色光源，单次采集结束后关闭白色光源，仅开启绿色光源，进行灰度图像的采集；由于灰度图像与彩色图像采集的时间间隔非常短暂(小于10秒)，故忽略不计，近似认为两种图像的采集是同步的。

(3)实验结果分析

图3(a)展示了本系统记录的某嵌锂时刻的石墨电极彩色图像，图中箭头为锂离子嵌入电极的方向(与x轴平行)，图像显示最左端电极颜色为金黄色，最右端电极颜色为棕红色，沿锂离子扩散方向，电极颜色由金黄色逐渐过渡为棕红色。结合电极颜色与嵌锂浓度的对应关系，电极为金黄色表明此处电极中归一化的嵌锂浓度为1，电极为棕红色表明此处电极中归一化的电极嵌锂浓度为0.5，彩色图像采集光路的记录结果表明，电极内沿锂离子扩散方向，锂离子浓度从1逐渐减小至0.5。

将石墨电极表面存在的自然纹理作为散斑，用数字图像相关技术对同一时刻下相同区域的电极灰度图像进行相关性分析，图3(b)给出附图3(a)对应电极应变云图。应变云图显示石墨电极最左端变形较大，x轴方向的电极应变exx为1％。电极最右端变形较小，exx为0.448％。图3(a)和图3(b)给出了电极内同一区域的锂离子浓度分布信息和电极变形信息，结果显示，电极左侧区域中电极颜色为金黄色，对应的锂离子浓度为1，对应区域中的电极应变exx为1％。电极右侧区域中电极颜色为棕红色，对应的锂离子浓度为0.5，对应区域中的电极应变exx为0.75％左右。结果说明，电极变形与锂离子浓度存在明显的动力学因果关系，锂离子浓度较多的区域，电极变形较大、锂离子浓度较少的区域，电极变形较小。

本发明公开和提出的电极材料中锂离子浓度分布与变形场同步原位测量系统，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。