一种原位中子测试装置和电池原位充放电中子测试系统

1.本发明涉及材料分析领域，具体涉及一种原位中子测试装置。


背景技术：

2.对于电池在充放电过程中微观结构演变的探知对于理解电池电极材料的性能至关重要，这也是进一步优化和提升电池电极材料电化学性能的重要前提。然而常规的结构检测方法，一般需要在电池充放电完成之后，将电极材料从电池中剥离出来单独进行检测分析，即离位测试。这样不但难以获得电极材料在整个充放电循环过程中不同状态下连续性的结构形成和演变信息，而且在电池剥离后在失去密闭环境后电极材料本身的性质变化也常常使得离位测试所获得的材料信息失真。中子作为用于材料研究的微探针具有强穿透性和高敏感性等特点，因此利用中子散射方法不但可以同时得到获取全电池中包括正极、负极和电解质等所有组成部分的信号，并且可以精确确定这些富含轻元素(如锂、碳和氧等)的电极材料和固态电解质的体相结构信息。结合全电池原位充放电中子测试装置就可以完成针对电极材料在整个充放电循环过程中连续性的结构形成和演变的探测。此外，锂离子电池在实际的使用场景中，除了在室温条件下完成充放电过程之外，还有可能在极端环境，即室温～100℃的高温环境或者-100℃～室温的低温环境条件下工作。因此，通过加载原位装置，对全电池在复杂环境条件下的原位中子检测也尤为重要。
3.现有的原位装置主要结合中子衍射技术，针对功能材料体系展开样品环境设计以实现对单体材料在极端条件下物性的探索，如探索高压-高温、高压-低温极端条件下对材料本征结构特性产生的影响；或者为原位高温-应力测量装置，主要用于研究结构材料在高温加载应力应变测试下，材料内部结构的信息；或者为具有温度-应力-磁场多种加载条件的中子散射原位多场耦合加载装置，用于模拟磁性材料在实际服役过程中的使用环境；关于锂离子电池材料测试相关的中子衍射原位装置，主要通过小角中子散射及原位充放电装置，表征全固态电池中固态电解质、电极材料的结构信息等。
4.根据目前已知的基于中子衍射的电池测试装置，还未有在满足宽温度区间环境要求条件下对全电池充放电过程中进行中子散射测试的原位装置。为了研究电池在不同温度条件下充放电时电池电极材料的结构演化信息，需要有一种满足宽温区的原位测量装置。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本技术给出一种原位中子测试装置以及应用该原位中子测试装置的电池原位充放电中子测试系统。
6.根据第一方面，一种实施例中提供一种原位中子测试装置，包括：
7.真空腔；
8.样品固定件，所述样品固定件设于所述真空腔内，所述样品固定件用于固定待测电池；
9.制冷元件，所述制冷元件伸入所述真空腔，所述制冷元件用于降低所述真空腔内
的温度；
10.加热元件，所述加热元件伸入所述真空腔，所述加热元件用于提高所述真空腔内的温度。
11.在一实施例中，还包括：密封法兰；所述密封法兰与所述真空腔的一外侧面紧密连接。
12.在一实施例中，所述密封法兰包括第一密封法兰和第二密封法兰；所述第一密封法兰与所述第二密封法兰同轴设置，所述第一密封法兰嵌入所述第二密封法兰，所述第一密封法兰上设有通孔，所述通孔与所述真空腔连通。
13.在一实施例中，还包括：顶盖；所述顶盖罩住所述第一密封法兰，所述顶盖上设有若干过线通孔，所述过线通孔与所述通孔连通。
14.在一实施例中，所述样品固定件包括样品夹具，所述样品夹具设于所述真空腔内，所述样品夹具用于夹持待测电池。
15.在一实施例中，所述样品夹具包括固定夹、样品杆和样品杆套筒，所述样品杆的一端与所述固定夹连接，所述样品杆的另一端穿过所述样品杆套筒与所述真空腔连接以固定所述样品杆。
16.在一实施例中，所述样品固定件包括位移平台，所述位移平台包括置物台，所述置物台活动设置在所述真空腔内，所述置物台用于放置待测电池。
17.在一实施例中，所述制冷元件包括制冷机和冷头，所述制冷机设于所述真空腔外侧，所述冷头的一端与所述制冷机连接，另一端伸入所述真空腔以用于降低真空腔内温度。
18.在一实施例中，所述加热元件包括加热丝，所述加热丝设于所述真空腔的内壁上。
19.根据第二方面，一种实施例中提供一种电池原位充放电中子测试系统，包括：电化学工作站、控制终端、中子散射谱仪以及如本技术任一项实施例中所述的原位中子测试装置；所述中子散射谱仪用于提供中子束，所述原位中子测试装置设于所述中子散射谱仪的散射腔内，待测电池处于中子束的照射路径上；所述电化学工作站上设有电线，所述电线依序穿入所述真空腔以与待测电池的正负极连接以完成待测电池的充放电过程；所述控制终端与所述电化学工作站、所述中子散射谱仪和所述原位中子测试装置电连接。
20.据上述实施例的原位中子测试装置和电池原位充放电中子测试系统，由于制冷元件和加热元件分别可以降低或升高真空腔内的温度，可为真空腔内提供宽温区间，使得待测电池能够置于不同的温度环境中，以研究电池在不同温度条件下充放电时电池电极材料的结构演化信息。
附图说明
21.图1为一种实施例中原位中子测试装置的结构示意图；
22.图2为一种实施例中原位中子测试装置的剖面结构示意图；
23.图3为一种实施例中原位中子测试装置(去除真空腔后)的结构示意图；
24.图4为一种实施例中原位中子测试装置的密封法兰的结构示意图；
25.图5为一种实施例中原位中子测试装置的密封法兰的剖面结构示意图；
26.图6为一种实施例中原位中子测试装置的样品夹具与第一密封法兰的连接结构示意图；
27.图7为一种实施例中原位中子测试装置的固定夹的结构示意图；
28.图8为一种实施例中电池原位充放电中子测试系统的结构示意图。
29.附图标记说明：1、真空腔；2、样品固定件；21、样品夹具；211、固定夹；2111、夹臂；212、样品杆；213、样品杆套筒；22、位移平台；221、置物台；3、制冷元件；31、制冷机；32、冷头；4、加热元件；5、密封法兰；51、第一密封法兰；511、通孔；52、第二密封法兰；6、顶盖；61、过线通孔；100、电线；200、中子束；1000、电化学工作站；2000、控制终端；3000、原位中子测试装置。
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
31.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
32.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
33.在本发明实施例中，原位中子测试装置包括真空腔、样品固定件、制冷元件和加热元件，样品固定件用于将待测电池固定设于真空腔内，制冷元件用于降低真空腔内温度，加热元件用于提高真空腔内的温度。由于制冷元件和加热元件分别可以降低或升高真空腔内的温度，可为真空腔内提供宽温区间，使得待测电池能够置于不同的温度环境中，以研究电池在不同温度条件下充放电时电池电极材料的结构演化信息。
34.下面通过具体实施例对本技术进行说明。
35.实施例一：
36.如图1至图7所示，本技术一实施例中给出一种原位中子测试装置，包括真空腔1、样品固定件2、制冷元件3和加热元件4。样品固定件2设于真空腔1内，样品固定件2用于固定待测电池，待测电池设于中子束流照射的路径上。制冷元件3伸入真空腔1，制冷元件3用于降低真空腔1内的温度，以模拟待测电池在低温环境下的工况，本实施例中，制冷元件3可将真空腔内温度降至-100℃以下。加热元件4伸入真空腔1，加热元件4用于提高真空腔1内的温度，以模拟待测电池在高温环境下的工况，本实施例中，加热元件4可将真空腔内温度提升至100℃以上。
37.由于制冷元件3和加热元件4分别可以降低或升高真空腔1内的温度，可为真空腔内提供宽温区间，使得待测电池能够置于不同的温度环境中，以研究电池在不同温度条件
下充放电时电池电极材料的结构演化信息。
38.真空腔1用于给待测电池提供密闭的测试环境，根据不同的实验需求，真空腔1可以为不同的形状，例如方形、球形、圆柱形等。在一实施例中，原位中子测试装置配合中子散射谱仪进行使用，测试进行时，原位中子测试装置置于中子散射谱仪的散射腔内，为便于原位中子测试装置的安装和散射中子的收集，真空腔1设置为圆柱形。为了减少真空腔1腔体对中子束流的吸收、提升中子通过率，以保证中子束流具有足够的通量以完成高准确性的原位中子散射测试，真空腔1的腔壁应当尽可能薄，同时采用铝合金材料制造。在一实施例中，为进一步降低真空腔1材质对中子束流的影响，在中子束流入射和出射位置的腔体侧面开设钒窗口，钒元素本身具有极小的中子散射截面，能够有效减少腔体引起的杂散中子背景信号，降低腔体对中子束流的影响。同时，真空腔1应当具备良好的保温效果，以保证测试时待测电池的工况环境温度稳定。在一实施例中，真空腔1腔体内壁具有真空隔层，进一步实现保温效果，一些实施例中，真空腔1腔体内壁上填充有保温纤维材料，也能够进一步增强保温效果。在一实施例中，真空腔1的直径为200-600mm，长度为500-1500mm，真空腔1的具体尺寸可根据实际的实验需求和条件进行确定。
39.在一实施例中，为便于中子测试时真空腔1在中子散射谱仪散射腔内的安装，原位中子测试装置还包括密封法兰5，密封法兰5与真空腔1的一外侧面紧密连接。真空腔1为圆柱形时，密封法兰5与真空腔1的一侧圆柱底面紧密连接。通过密封法兰5将原位中子测试装置安装于中子散射谱仪的散射腔内，安装稳定，确保中子束流的入射与出射位置的准确性。
40.在一实施例中，密封法兰5包括第一密封法兰51和第二密封法兰52。第一密封法兰51与第二密封法兰52同轴设置，第一密封法兰51嵌入第二密封法兰52，第一密封法兰51与第二密封法兰52均与真空腔1外侧面紧密连接，第一密封法兰51上设有通孔511，通孔511与真空腔1连通。在一实施例中，真空腔1上设有开口，该开口供待测电池进出真空腔1，第一密封法兰51上通孔511与该开口连通，且第一密封法兰51盖住该开口，外部电线可通过通孔511和开口进入真空腔1以对待测电池进行充放电操作，通孔511背离真空腔1的一端还设有带密封圈的密封塞，以在测试时密封通孔511，保证真空腔1内环境的稳定性。如此设置，在进行换样操作时，不需要将密封法兰5整个从真空腔1上卸下，只需要将第一密封法兰51从真空腔1上卸下即可完成换样，操作便捷、简单。
41.在一实施例中，原位中子测试装置还包括顶盖6，顶盖6罩住第一密封法兰51，顶盖6上设有若干过线通孔61，过线通孔61与通孔511连通。外部电线依序通过过线通孔61和通孔511进入真空腔1内，过线通孔61对外部电线起到引导作用，可在过线通道61外部设置标识，指示外部电线引出，避免外部电线接错，同时，顶盖6罩住第一密封法兰51，进一步提高真空腔1腔体的密封性，保证真空腔1内部的环境稳定性。在一实施例中，顶盖6上设有若干凸出部，过线通道61贯穿凸出部，对于未接线的过线通道61，可以使用盖子或塞子将过线通道61进行封闭，进一步增强密封性。
42.样品固定件2用于固定待测电池，且应保证待测电池、供中子束流入射和出射的中子窗设于中子束流照射的路径上，保障测试效果。
43.在一实施例中，样品固定件2包括样品夹具21，样品夹具21设于真空腔1内，样品夹具21用于夹持待测电池。样品夹具21根据待测电池的不同的外型尺寸可以选择不同类型的夹具用于夹持待测电池，例如，对于圆形电池，可以使用弧形夹爪、三爪卡盘等可用于夹持
圆形物品的夹具；对于方形电池，可以使用直臂夹爪等可用于夹持方形物品的夹具。通过样品夹具21，可以夹持各式待测电池进而将各式待测电池固定于合适的位置进行测试。
44.在一实施例中，样品夹具21包括固定夹211、样品杆212和样品杆套筒213，样品杆212的一端与固定夹211连接，样品杆212的另一端贯穿样品杆套筒213与真空腔1连接以固定样品杆212，为便于测试进行，固定夹211应当位于真空腔中心处，也即样品杆212应当与真空腔1同轴设置，如此，样品杆212的另一端贯穿样品杆套筒213与第一密封法兰51连接，以保证固定夹211位于真空腔1的中心位置。为了使得样品夹具21的夹具也即固定夹211能够更换且固定夹211应与样品杆212稳固连接，固定夹211与样品杆212为螺纹连接，样品杆212的一端面上设有螺纹孔，固定夹211上对应设有凸起的螺纹段，将固定夹211上螺纹段旋入样品杆212上螺纹孔即可完成固定夹211与样品杆212的连接，如此设置，固定夹211在工作时可与样品杆212稳定连接，在需要更换时也只需要另取设有与样品杆212上螺纹孔相配合的凸起的螺纹段的不同类型的固定夹211与样品杆212进行连接即可，方便快捷。一些实施例中，固定夹211夹爪可动，固定夹211上活动设置有若干个夹臂2111，各个夹臂2111的长度可以相同也可以不同，所有夹臂2111之间的间距大小或夹角大小可调节，以用于夹持不同尺寸、不同形状的待测电池，如图6所示，一实施例中的固定夹211上滑动设置有两个夹臂2111，夹臂2111的一端设有滑块，固定夹211上设有滑轨，滑块设于滑轨上以使得两个夹臂2111可以通过滑动滑块来调节两个夹臂2111之间的间距，以使得固定夹2111能够夹持不同尺寸的待测电池，本实施例中，滑块通过螺栓与夹臂2111连接，滑轨也通过螺栓进行固定。样品杆套筒213与第一密封法兰51连接，样品杆套筒213上设有贯穿样品杆套筒213的螺纹孔，第一密封法兰51上也同轴设有螺纹孔，样品杆212与第一密封法兰51连接的一端上设有螺纹段，样品杆212上螺纹段与第一密封法兰51上螺纹孔和样品杆套筒213上螺纹孔连接，样品杆套筒213上螺纹孔的轴向长度大于样品杆212上螺纹段的轴向长度，如此设置，可以通过调节样品杆212上螺纹段在样品杆套筒213上螺纹孔内的位置来调节样品杆212与样品杆套筒213的相对位置，进而调节固定夹211的位置，实现对待测电池的位置调整。同时通过样品杆套筒213，可以将样品杆212的负载分摊到整个第一密封法兰51上，降低样品杆212与第一密封法兰51的连接处的负载，避免损伤。为了将负载均匀分摊至第一密封法兰51上，样品杆套筒213通过圆周排布的螺栓连接固定在第一密封法兰51上。样品杆套筒213上还设有穿孔，该穿孔与第一密封法兰51上通孔511相通，以供外部电线接入真空腔1内部。
45.在一实施例中，样品固定件2包括位移平台22，位移平台22包括置物台221，置物台221活动设置在真空腔1内，置物台221用于放置待测电池。不同尺寸的待测电池在测试时应当置于不同的空间位置处以获取更好的测试结果，置物台221活动设置在真空腔1内，以在不同尺寸的待测电池进行测试时进行位置调整，位移平台22的结构可以为剪叉式升降台、伸缩式升降台、套筒式升降台、伸缩臂式升降台等，能够实现对置物台221平移驱动即可，驱动方式可采用电机、液压、压电等驱动方式。本实施例中，位移平台22的结构为剪叉式升降台，置物台221的位移范围为0-100mm，精度为
±
0.1mm，位移平台22底部固定在真空腔1内壁上。通过位移平台2，可对待测电池的位置进行调整，适用于不同尺寸规格的待测电池。
46.一些实施例中，样品固定件2包括样品夹具21和位移平台22，样品夹具21和位移平台22相对设置，二者可以配合使用分摊负载，也可以独立使用单独固定待测电池。
47.制冷元件3和加热元件4分别可以降低或升高真空腔1内的温度，可为真空腔内提
供宽温区间，为待测电池提供不同温度的工况。
48.在一实施例中，制冷元件3包括制冷机31和冷头32，制冷机31设于真空腔1外侧，冷头32的一端与制冷机31连接，另一端伸入真空腔1，制冷机31工作时，冷头32可将冷量传导至真空腔1的内部，以降低真空腔1内的温度，为待测电池提供低温工况。本实施例中，制冷机31通过螺栓固定在密封法兰2上，冷头32穿过密封法兰2伸入真空腔1进行降温。一些实施例中，制冷元件3包括液氦制冷机，低温液氦管伸入真空腔1，对真空腔1内部进行降温。为达到更好的保冷效果，一些实施例中，真空腔1内设有冷屏，冷屏的材质为铝或铜。本实施例中，制冷元件3可将真空腔1内温度降低至-100℃以下，为待测电池提供低温环境，以模拟电池充放电过程中的低温工况。
49.在一实施例中，加热元件4包括加热丝，加热丝设于真空腔1内，加热丝铺设于真空腔1的内壁上以用于提高真空腔1内的温度。一些实施例中，加热元件4包括导热管，导热管内导热介质包括高压蒸汽、导热油等高温导热介质。本实施例中，加热元件4可将真空腔1内温度提高至100℃以上，为待测电池提供高温环境，以模拟电池充放电过程中的高温工况。
50.在一实施例中，样品固定件2上设有温度传感器，温度传感器的设置位置靠近待测电池，以监测待测电池处温度，在测试过程中，可以根据温度传感器的读数控制制冷元件3或加热元件4的功率，保障待测电池处于测试目标温度环境中，保障测试数据的准确性。
51.在一实施例中，原位中子测试装置还包括气氛模块，气氛模块用于向真空腔1内通入特定气体，向待测电池提供特定的气氛环境，以满足不同的实验需求。
52.一种实施例中的原位中子测试装置对待测电池进行测试的工作过程如下：
53.a、将待测电池的正负极极耳分别连接外部电线的正负极，并根据待测电池的尺寸规格，调整样品夹具21或位移平台22至合适位置，将待测电池放置于位移平台22上，或，置于样品夹具21中心；
54.b、将原位中子测试装置通过密封法兰2安装于中子散射谱仪的散射腔内，并调整原位中子测试装置使待测电池、供中子束流入射和出射的中子钒窗设于中子束流照射的路径上，且待测电池处于中子散射谱仪的样品中心位置；
55.c、通过制冷元件3或加热元件4对真空腔1内进行降温或升温，使真空腔1内温度增加或降低至设定的工况温度，同时通过温度传感器对待测电池处环境温度实时监测；
56.d、通过外部装置设置电流电压并开始待测电池充放电；
57.e、在待测电池开始充放电的同时，启动中子散射谱仪的中子开关产生中子束流，使中子束流通过原位中子测试装置侧壁上的中子钒窗照射到待测电池上，中子与待测电池发生散射并产生散射中子，中子散射谱仪的中子探测器接收散射中子信号并获得中子散射谱图；
58.f、对中子散射谱图进行分析，得到待测电池中电极材料在原位充放电条件下的动态结构变化信息，完成测试。
59.实施例二：
60.请参考图8，本技术一实施例中给出一种电池原位充放电中子测试系统，包括电化学工作站1000、控制终端2000、中子散射谱仪以及如本技术任一实施例中的原位中子测试装置3000。中子散射谱仪用于提供中子束200，原位中子测试装置3000设于中子散射谱仪的散射腔内，原位中子测试装置3000中放置的待测电池处于中子束200的照射路径上。电化学
工作站1000上设有电线100，电线100穿入原位中子测试装置3000的真空腔以与待测电池的正负极连接以完成待测电池的充放电过程。控制终端2000与电化学工作站1000、中子散射谱仪和原位中子测试装置3000电连接，以控制电化学工作站1000、中子散射谱仪和原位中子测试装置3000完成测试中的各项操作。
61.依据上述实施例中的原位中子测试装置，由于制冷元件和加热元件分别可以降低或升高真空腔内的温度，可为真空腔内提供宽温区间，使得待测电池能够置于不同的温度环境中，以研究电池在不同温度条件下充放电时电池电极材料的结构演化信息。
62.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。