1.本实用新型涉及一种材料结构
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机理原位表征领域，尤其涉及的是一种原位固态电池光谱装置。
背景技术：
2.电动汽车(ev)的广泛采用高度依赖于高性能电化学储能系统的发展。在过去的几年中，常规的锂离子电池(lib)通常用于为电动汽车供电，尽管这些电池仍然面临着严峻的挑战，例如有机液体电解质的易燃性，有限的工作温度和电压范围以及有限的容量。全固态锂离子电池是通过使用不燃固体电解质来克服上述缺点的一种有前途的替代方案。同时，他们不仅是具有较少的安全问题，并可以通过加入锂金属阳极来促进高能量密度的电池。尽管assb(萨博，汽车名称)具有巨大的优势，但仍需要解决许多因素。例如，不燃固体电解质特别是聚合物固态电解质，具有较差的离子电导率，并且在电解质和活性材料界面上的界面不相容性也严重阻碍了它的发展。因为与液体电解质相比，两种固相之间的物理失配会在界面处形成空隙。在固态电池中，通常通过混合电解质、活性物质和导电剂来制造复合阴极。复合材料的微观结构和形态特性取决于混合条件，例如外部压制压力和温度，而不良的界面接触限制了锂离子的传输途径。此外，在锂化/去锂化过程中，活性材料颗粒体积的变化会导致微观结构中局部应力的累积，裂缝的扩展和容量的衰减。因此，与液态电解质电池相比，在固态电池中内部结构的应力结构变化以及外部施加的压力都会对其内部的微结构产生至关重要作用。而且，大多数阴极活性材料在锂化过程中会膨胀。尽管与基于合金的阳极活性材料中观察到的体积变化相比可以忽略不计，但由于界面的固/固接触，在全固态电池中这是至关重要的。换句话说，虽然液体电解质电池可以容纳阴极am的微小体积膨胀，但对于固态电池，即使很小的体积变化也可能导致颗粒破裂并最终粉碎。因此，研究在固态电池循环中持续的膨胀/收缩会加剧界面阻力和应力演变的研究也具有十分重要的科学意义。如何实现对全固态电池的外部压力控制以及如何监控电池在一定压力条件下内部应力如何随充放电过程变化对于研究人员来说不仅具有科学研究意义，，同样对于电池的商业化发展也具有十分重要的实践意义。
3.此外，x射线作为一种穿透强度足够大的有效光谱学研究手段，通常可以作为研究固态电池内部结构变化和应力变化最为重要的一种检测手段。如何将x射线光谱学的检测方法也有效的融合在上述科学研究中对于科研人员来说无疑是增加了一把研究固态电池的利剑，十分有助于全固态电池的快速发展。
4.固态电解质和活性物质界面的界面电阻的主要来源是其物理接触不良，其界面在循环过程中的电化学不稳定性以及由于体积变化而在界面上产生的化学机械应变。研究其界面接触的有效方法之一就是给其在外部施加不同的压力，目前，研究人员主要是通过可施加压力的固态电解质电池模具来实现，但使用这一模具的缺点在于，单次使用过程中只能施加一个压力，而且在施加固定压力后是完全靠螺钉对其锁死，无法探测其充放电过程中的压力变化情况。这种方法给研究人员研究不同外力对电池的影响以及了解充放电过程
中的压力变化带来了巨大的困难。而在探测电池内部应力变化方面，目前常用的研究方法就是采用多光束光学应力传感器，通过传感器将薄膜中的应力/应变与循环过程中的曲率相关联，但这种方法在进行原位实验时既困难又费时，其探测实验效率太低。
5.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
6.本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有的原位固态电池光谱装置对固态电解质内部结构的应力结构变化的探测方法效率太低的问题。
7.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
8.具有施压和监控功能的原位固态电池光谱装置，包括用于施加压力的压力驱动装置、用于感知压力的压力感知装置、原位光谱固态电池装置，所述压力驱动装置连接压力感知装置的顶端，所述压力感知装置的底端连接原位光谱固态电池装置；所述压力驱动装置、所述压力感知装置与所述原位光谱固态电池装置位于同一轴线上。
9.本实用新型工作过程：先将原位光谱固态电池装置取下拿到手套箱中，装入电极材料和电解质材料后从手套箱中将其取出，将原位光谱固态电池装置放回原位，通过连接好控制线路与安装过控制软件的计算机可以进行人机界面互动进行施加压力设置，进行表征实验。
10.本实用新型通过顶部的压力驱动装置可以有效的对固态电池施加各种大小不同的外部压力，从而实现不同外部压力对全固态电池性能影响的科学研究；同时，施加一定外部压力后，通过的压力感知装置可以随时感知电池在充放电过程中，用于实现电池内部应力变化研究；通过原位光谱固态电池装置，包括可见光和x射线等多种光谱测试方法，电解质材料在可监测的压力条件下充放电循环过程中物相结构变化以及电池性能变化的研究；该装置适用于新型高能量密度的固态电解质材料电池体系，这些原位数据的获取将会为研发更加高效、更具选择性的高效电极材料注入新的活力和思想。
11.优选的，所述原位光谱固态电池装置包括压力电池外壳、第一压头电极、第二压头电极，所述第一压头电极密封安装在压力电池外壳的上部，所述第二压头电极密封安装在压力电池外壳的下部，所述第一压头电极与所述第二压头电极之间为电极材料和电解质材料的安装位置，所述压力电池外壳与电极材料和电解质材料的安装位置对应的位置为x射线的窗口位置。
12.优选的，所述压力电池外壳为呈“8”字型结构的中空结构，所述压力电池外壳的内部具有上下对称的台阶状锥形孔，所述第一压头电极为台阶状的锥形体，所述第一压头电极通过密封圈安装在位于上部的台阶状锥形孔，所述第二压头电极为台阶状的锥形体，所述第二压头电极通过密封圈安装在位于下部的台阶状锥形孔。
13.优选的，所述第一压头电极与所述第二压头电极均为金属材质制得，所述第一压头电极与所述第二压头电极的小端的圆柱面上具有供电源插入的导线孔。
14.内部的电池充放电是通过第一压头电极和第二压头电极接触电极材料来实现，在其尾端的外圆柱面上的导线孔可方便电源引线的插入。
15.优选的，所述第一压头电极的顶端具有位于压力电池外壳外部的限位板，能够被限制在所述压力电池外壳的外部的限位板的顶面为平面，该平面为压力承载面。
16.优选的，还包括绝缘定位座，所述压力电池外壳的底部、以及第二压头电极的底部与所述绝缘定位座连接。
17.优选的，所述压力感知装置包括压力传感器、绝缘保护筒、加压头，所述加压头沿轴线内置于所述绝缘保护筒内，所述压力传感器的顶端与所述压力施加装置连接，所述压力传感器的底端与所述加压头连接，所述绝缘保护筒的底端为封闭端，所述绝缘保护筒的底端与所述原位光谱固态电池装置的顶端连接。
18.优选的，还包括模具压簧，所述加压头的底部具有导柱，所述模具压簧内置于所述绝缘保护筒内，所述导柱伸入模具压簧内。
19.绝缘保护筒可以保证第一压头电极和模具压簧之间的导电性隔绝，以及实现模具压簧的固定，材质可选择各类高分子材料。
20.模具压簧可以将压力驱动装置直接施压的压力进行间接的压力传导，同时当撤去压力时方便压力传感器及加压头的复位。
21.优选的，还包括多个支撑杆，所述支撑杆的顶端连接所述压力驱动装置。
22.优选的，还包括底座，所述支撑杆的底端连接所述底座的顶面。
23.本实用新型的优点在于：
24.(1)本实用新型通过顶部的压力驱动装置可以有效的对固态电池施加各种大小不同的外部压力，从而实现不同外部压力对全固态电池性能影响的科学研究；同时，施加一定外部压力后，通过的压力感知装置可以随时感知电池在充放电过程中，用于实现电池内部应力变化研究；通过原位光谱固态电池装置，包括可见光和x射线等多种光谱测试方法，电解质材料在可监测的压力条件下充放电循环过程中物相结构变化以及电池性能变化的研究；该装置适用于新型高能量密度的固态电解质材料电池体系；继而获得更加高效、更具选择性的高效电极材料的原始数据；
25.(2)绝缘保护筒可以保证第一压头电极和模具压簧之间的导电性隔绝，以及实现模具压簧的固定，材质可选择各类高分子材料；
26.(3)模具压簧可以将压力驱动装置直接施压的压力进行间接的压力传导，同时当撤去压力时方便压力传感器及加压头的复位；
27.(4)压力电池外壳、密封圈、绝缘定位座，上述部件的材质可选择高分子材料加工成型，如聚醚醚酮(peek)高分子材质，该类高分子材质不仅具备金属材质的高强度，同时又具备了绝缘的功能，能够起到防止电池工作电极接触其他金属部件造成短路的作用；
28.(5)第一压头电极、第二压头电极均是采用金属材料加工成型，且需要满足高强度耐腐蚀的特性，即保证内部电极材料的导电性接触也可以将上方压力驱动装置提供的压力实时的传导至电极材料和电解质材料上。
附图说明
29.图1是本实用新型实施例具有施压和监控功能的原位固态电池光谱装置的结构示意图；
30.图2是图1中a
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a的剖视图；
31.图中标号：1、压力驱动装置；2、压力感知装置；21、压力传感器；22、绝缘保护筒；23、加压头；24、模具压簧；3、原位光谱固态电池装置；31、压力电池外壳；32、第一压头电极；33、第二压头电极；34、绝缘定位座；35、密封圈；4、支撑杆；5、底座；
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.实施例一：
34.如图1所示，具有施压和监控功能的原位固态电池光谱装置，包括用于施加压力的压力驱动装置1、用于感知压力的压力感知装置2、原位光谱固态电池装置3、多个支撑杆4、底座5，所述压力驱动装置1连接压力感知装置2的顶端，所述压力感知装置2的底端连接原位光谱固态电池装置3；所述压力驱动装置1、所述压力感知装置2与所述原位光谱固态电池装置3位于同一竖直轴线上，所述支撑杆4的顶端连接所述压力驱动装置1，所述支撑杆4的底端连接所述底座5的顶面。
35.底座5和支撑杆4均采用金属材质加工成型，需要既保证结构的强度又能减小质量，从而使整个装置总体上轻便耐用；底座5和支撑杆4通过与压力驱动装置1进行连接固定可实现对固态电池的位置进行限定，以及支撑方便压力驱动装置1施加的压力可以作用在电池上。
36.本实施例中，压力驱动装置1负责整个固态电池的压力施加功能，可直接与外部控制系统及软件相连，可实现对施加压力的实时控制，方便配合光谱表征仪器对电池材料表征的同时进行压力的监测，本实施例不做具体限定，选用现有技术中的压力驱动装置即可，需要压力加载大小可从5n
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5000n不等。
37.本实施例中，原位光谱固态电池装置3通常由电池壳体本身、光谱学窗口及各类固定部件组成，主要可用于匹配x射线和可见光等光谱学原位表征。其中，可见光原位光谱固态电池的设计可采用现有技术中的设计；本实施例给出x射线类原位光谱固态电池装置3的具体方案。
38.如图2所示，所述原位光谱固态电池装置3包括压力电池外壳31、第一压头电极32、第二压头电极33、绝缘定位座34、密封圈35；
39.所述压力电池外壳31为呈“8”字型结构的中空结构(沙漏状结构)，所述压力电池外壳31的内部具有上下对称的台阶状锥形孔，台阶状锥形孔即可以实现安装又能够实现第一压头电极32、第二压头电极33的限位；压力电池外壳31其中心部分(收缩部分)是电池的电极材料和电解质材料的位置，同时也是x射线的窗口位置，因此该处壁厚需要满足x射线的穿透工作需求，厚度需要满足10
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1000um的要求，保证电极片位置的x射线穿透能力，从而实现x射线成像、x射线衍射等多种光谱学的原位监测功能，实现对电极材料在充放电过程中的原位光谱学研究。压力电池外壳31可选择高分子材料加工成型，如聚醚醚酮(peek)高分子材质，该类高分子材质不仅具备金属材质的高强度，同时又具备了绝缘的功能，能够起
到防止电池工作电极接触其他金属部件造成短路的作用。
40.与压力电池外壳31的内部台阶状锥形孔适配，所述第一压头电极32为台阶状的锥形体，所述第一压头电极32的底端圆柱面外部具有凹槽，凹槽内安装密封圈35，第一压头电极32安装在位于上部的台阶状锥形孔；同样，所述第二压头电极33为台阶状的锥形体，所述第二压头电极33外部具有凹槽，凹槽内安装密封圈35，第二压头电极33安装在位于下部的台阶状锥形孔。
41.所述第一压头电极32与所述第二压头电极33之间为电极材料和电解质材料的安装位置，对应所述压力电池外壳31上x射线的窗口位置。
42.所述第一压头电极32与所述第二压头电极33均是采用金属材料加工成型，且需要满足高强度耐腐蚀的特性，即保证内部电极材料的导电性接触也可以将上方压力驱动装置1提供的压力实时的传导至电极材料和电解质材料上。
43.所述第一压头电极32与所述第二压头电极33小端的圆柱面上具有供电源插入的导线孔。内部的电池充放电是通过第一压头电极32和第二压头电极33接触电极材料来实现，在其尾端的外圆柱面上的导线孔可方便电源引线的插入。
44.其中，所述第一压头电极32的顶端具有位于压力电池外壳31外部的限位板，限位板与第一压头电极32一体成型，限位板能够被限制在所述压力电池外壳31的外部，限位板的顶面为平面，该平面为压力承载面，与压力感知装置2的底部接触连接。
45.所述压力电池外壳31的底部、以及第二压头电极33的底部与所述绝缘定位座34连接，绝缘定位座34通过螺栓安装在底座5上。
46.本实施例工作过程：
47.先将原位光谱固态电池装置3从整个装置上取下，拿到手套箱中，取下第一压头电极32，装入电极材料和电解质材料，插回第一压头电极32，即可从手套箱中将其取出，将原位光谱固态电池装置3放置在底座5的对应位置上，通过软件控制压力驱动装置1，驱动压力感知装置2下降直至接触第一压头电极32的压力承载面为止；连接好电池的外接电源线可进行蓝电测试仪的充放电测试，再将整个装置放置在对应的表征仪器样品台位置；同时连接好控制线路与安装过控制软件的计算机可以进行人机界面互动进行施加压力设置；最后即可进行表征实验。
48.本实施例通过顶部的压力驱动装置1可以有效的对固态电池施加各种大小不同的外部压力，从而实现不同外部压力对全固态电池性能影响的科学研究；同时，施加一定外部压力后，通过的压力感知装置2可以随时感知电池在充放电过程中，用于实现电池内部应力变化研究；通过原位光谱固态电池装置3，包括可见光和x射线等多种光谱测试方法，电解质材料在可监测的压力条件下充放电循环过程中物相结构变化以及电池性能变化的研究；该装置适用于新型高能量密度的固态电解质材料电池体系，如聚合物和复合物固态电解质材料等，这些原位数据的获取将会为研发更加高效、更具选择性的高效电极材料注入新的活力和思想。
49.实施例二：
50.如图2所示，在上述实施例一的基础上，本实施例中，所述压力感知装置2包括压力传感器21、绝缘保护筒22、加压头23、模具压簧24；主要用于连接压力驱动装置1和原位光谱固态电池装置3，同时负责压力的传输和监测功能。
51.所述压力传感器21的顶端与压力驱动装置1螺纹连接，底端与加压头23螺纹连接，压力传感器21可实现压力驱动装置1对原位光谱固态电池装置3施加压力进行实时的监控与监测，方便对压力驱动装置1进行控制软件的信息传导与实时反馈，该压力传感器21的压力感知范围和压力精度均与压力驱动装置1相匹配。
52.所述加压头23为圆柱体，沿竖直轴线方向内置于所述绝缘保护筒22内，加压头23的外径略小于绝缘保护筒22的内径，加压头23与绝缘保护筒22内部可以是过渡配合。所述加压头23的底部具有导柱，所述模具压簧24内置于所述绝缘保护筒22，所述导柱伸入模具压簧24内。模具压簧24可以将压力驱动装置1直接施压的压力进行间接的压力传导，同时当撤去压力时方便压力传感器21及加压头23的复位。
53.所述绝缘保护筒22为顶端开口、底端封闭的圆筒结构，所述绝缘保护筒22的底端与所述原位光谱固态电池装置3的顶端连接，具体的是，与第一压头电极32的顶面接触连接。绝缘保护筒22可以保证第一压头电极32和模具压簧24之间的导电性隔绝，以及实现模具压簧24的固定，材质可选择各类高分子材料。
54.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。