一种可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置

1.本实用新型属于固体电池原位观测技术领域，具体涉及一种可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置。


背景技术：

2.相比于铅酸电池、镍氢电池等其他化学电源，锂离子电池凭借着其能量密度高、能量效率高、循环寿命长、无记忆效应等优点受到研究人员的广泛关注。金属锂负极因其具有高达3860mah/g的理论比容量以及最低的电化学势(-3.04v)，而被认为是高比能二次锂电池最有前景的阳极材料。相比于传统的液体电解质，固体电解质具有不易泄露、不易燃烧等优势，表现出更好的安全性，被认为是电解质材料的发展方向。金属锂负极搭配固体电解质组装得到的固态金属锂电池，不仅可以发挥金属锂负极高能量密度的优势，而且兼具固体电解质的安全性，目前受到了学术界和产业界的广泛研究。
3.然而，不同于液体电解质与负极材料之间的液固接触，固体电解质与金属锂负极之间的接触为固固接触，一般需要在固体电解质与金属锂负极施加一定的压力才可以保证固态金属锂电池的正常工作。不同压力施加条件下，固态金属锂电池往往会表现出不同的电化学行为，在电化学测试过程中固态电池内部的压力往往也会发生变化，进而对电池运行造成不同影响。目前，关于不同的压力条件对固态金属锂电池的运行的影响缺乏足够的认识，也没有专门的实验装置能够进行研究。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决以下技术问题，目前没有专门的实验装置能够针对不同的压力条件对固态金属锂电池的运行影响进行定量研究。
5.本实用新型提供一种可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置，不仅能对不同固态电池体系进行充/放电测试，并能搭配原子力显微镜、光学显微镜等成像仪器或拉曼光谱、x射线光电子能谱等谱学仪器观测在不同压力下电池运行时的界面演化行为，实现实时监测，从而有利于本领域技术人员对充放电过程中固态金属锂电池内部本征的微观界面反应机制以及相应的构效关系进行更加深入的探究与理解。
6.所述可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置，包括观测单元、固态电池、压力控制单元、压力显示单元、压力传导单元和电化学测试单元；所述压力传导单元的两个平动板夹持固态电池，所述压力控制单元的螺杆通过水平移动接触第一平动板并控制固态电池所受的压力，所述第一平动板、固态电池和第二平动板通过水平移动接触压力显示单元的压力传感器，用于实时显示并储存固态电池所受压力的信息；所述电化学测试单元连接固态电池，用于对固态电池进行电化学测试；所述观测单元连接固态电池或第一平动板和第二平动板，用于在电化学测试过程及压力施加过程中对固态电池进行实时的观测和记录。
7.可选的，所述压力控制单元包括螺杆、底座以及底座上的第一垂直板，螺杆贯穿第
一垂直板的螺纹孔，使得螺杆沿着螺纹孔的螺纹水平移动；
8.所述压力显示装置包括安装在第二垂直板上的压力传感器以及与压力传感器连接的显示屏；所述压力传导单元包括处于第一垂直板与第二垂直板之间的第一平动板和第二平动板，第一平动板和第二平动板用于夹持固态电池；施加压力时，螺杆水平移动并向第一平动板施压，使得压力传导单元向压力传感器移动，压力传感器接触第二平动板，并检测压力值。
9.可选的，所述螺杆的尾端设有转动盘，螺杆前端的外侧套有绝缘套，绝缘套与螺杆表面的螺纹对应嵌套连接；通过转动转动盘带动螺杆沿着第一垂直板的螺纹孔进行水平移动，可对第一平动板施压。
10.进一步可选的，所述底座的上表面设有绝缘层，第一垂直板竖直设置在底座的尾部，用于支撑螺杆的移动；
11.所述第二垂直板竖直设置在底座的前部，用于支撑压力传感器；第二垂直板平行于第一垂直板。
12.可选的，所述压力传导单元包括第一滑动杆、第二滑动杆、第一平动板和第二平动板，第一平动板和第二平动板均与第二垂直板平行，第一滑动杆和第二滑动杆均垂直于第二垂直板，且均与螺杆平行；
13.第一滑动杆的两端分别固定连接第一垂直板和第二垂直板相对的侧面，第二滑动杆的两端分别固定连接第一垂直板和第二垂直板相对的侧面；且螺杆和压力传感器均处于第一滑动杆与第二滑动杆之间；
14.第一平动板和第二平动板均通过两个通孔套接在第一滑动杆和第二滑动杆上，使得第一平动板和第二平动板能沿着第一滑动杆和第二滑动杆水平滑动。
15.进一步可选的，所述第一滑动杆包括第一滑动内杆和第一绝缘套，第二滑动杆包括第二滑动内杆和第二绝缘套；
16.所述第一绝缘套的内径与第一滑动内杆的外径尺寸相同，第一绝缘套紧密套在第一滑动内杆上；第二绝缘套的内径与第二滑动内杆的外径尺寸相同，第二绝缘套紧密套在第二滑动内杆上。
17.进一步可选的，所述第一平动板对应第一滑动杆和第二滑动杆的位置分别设有通孔，第二平动板对应第一滑动杆和第二滑动杆的位置也分别设有通孔；第一平动板和第二平动板的通孔结构相同，均为拱形通孔；
18.所述拱形通孔的上部为拱形，下部为方形，拱形通孔的底部延伸至平动板的底部，拱形通孔形成平动板底部的豁口；
19.第一滑动杆和第二滑动杆的外径相同，拱形通孔的拱形直径略大于第一滑动杆的外径，使得第一平动板和第二平动板通过拱形通孔连接第一滑动杆和第二滑动杆，沿着两个滑动杆水平滑动。
20.可选的，所述观测单元包括成像仪器和能谱仪器，所述成像仪器选自原子力显微镜、光学显微镜中的一种或两种；所述能谱仪器选自拉曼光谱、x射线光电子能谱中的一种或两种。
21.可选的，所述电化学测试单元为电化学工作站，并通过导线或铜胶连接固态电池的正负极或连接第一平动板和第二平动板。
22.可选的，所述螺杆、第一垂直板、第二垂直板、底座、第一滑动内杆、第二滑动内杆、第一平动板、第二平动板均采用不锈钢材质制作，底座上的绝缘层为聚四氟乙烯薄膜，绝缘套、第一绝缘套、第二绝缘套均采用聚四氟乙烯材质制作，以防短路。
23.本实用新型所述的固态电池原位观测装置，能够定量控制并显示固态电池所受压力，能够在控制压力的条件下，对固态电池进行电化学测试，并且能够在施加压力和电化学测试的同时，对固态电池界面进行原位原子力显微镜、原位光学显微镜等原位成像观测以及原位拉曼光谱、原位x射线光电子能谱等原位谱学监测，操作便捷，普适性较强，能够实现固态电池在充放电过程中电极/电解质界面结构演化的在线追踪与可视化研究。
附图说明
24.图1为本实用新型可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置的结构示意图；
25.图2为图1中部分结构示意图。
26.附图中，1-螺杆，101-转动盘，102-绝缘套，2-底座，201-第一垂直板，202-第二垂直板，203-绝缘层，3-压力传感器，301-显示屏，401-第一平动板，402-第二平动板，5-第一滑动杆，501-第一滑动内杆，502-第一绝缘套，6-第二滑动杆，601-第二滑动内杆，602-第二绝缘套，7-固态电池，8-观测单元。
具体实施方式
27.本实施例提供一种可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置，如图1-图2所示，包括观测单元8、固态电池7、压力控制单元、压力显示单元、压力传导单元和电化学测试单元及相配套的电路装置；所述压力传导单元的两个平动板夹持固态电池7，所述压力控制单元的螺杆1通过水平移动接触第一平动板401并控制固态电池7所受的压力，所述第一平动板401、固态电池7和第二平动板402通过水平移动接触压力显示单元的压力传感器3，用于实时显示并储存固态电池7所受压力的信息，所述电化学测试单元连接固态电池7，用于对固态电池7进行电化学测试，所述观测单元8连接固态电池7或第一平动板401和第二平动板402，用于在电化学测试过程及压力施加过程中对固态电池7进行实时的观测和记录。
28.可选的，所述固态电池原位观测装置包括观测单元8、固态电池7、压力控制单元、压力显示单元、压力传导单元和电化学测试单元及相配套的电路装置；所述压力控制单元包括螺杆1、底座2以及底座2上的第一垂直板201，螺杆1贯穿第一垂直板201的螺纹孔，使得螺杆1沿着螺纹孔的螺纹水平移动；
29.所述压力显示装置包括安装在第二垂直板202上的压力传感器3以及与压力传感器3连接的显示屏301；所述压力传导单元包括处于第一垂直板201与第二垂直板202之间的第一平动板401和第二平动板402，第一平动板401和第二平动板402用于夹持固态电池7；施加压力时，螺杆1水平移动并向第一平动板401施压，使得压力传导单元向压力传感器3移动，压力传感器3接触第二平动板402，并检测压力值。
30.可选的，所述螺杆1的尾端设有转动盘101，螺杆1前端的外侧套有绝缘套102，绝缘套102与螺杆1表面的螺纹对应嵌套连接；通过转动转动盘101带动螺杆1沿着第一垂直板201的螺纹孔进行水平移动，当螺杆1的前端接触第一平动板401之后，螺杆1再继续移动，即
可向第一平动板401施压。
31.可选的，所述底座2的上表面设有绝缘层203，第一垂直板201竖直设置在底座2的尾部，用于支撑螺杆1的移动。
32.可选的，所述第二垂直板202竖直设置在底座2的前部，用于支撑压力传感器3；第二垂直板202平行于第一垂直板201。压力传感器3通过第二平动板402，可接收到与固态电池7数值相同的压力，显示屏301可实时显示并记录压力传感器3所受到的压力。所述压力传感器3通过胶连或焊接等方式固定在第二垂直板202的侧面。
33.所述第一垂直板201、第二垂直板202与底座2通过一体化成型或焊接或螺丝锁紧等方式固定在一起。
34.可选的，所述压力传导单元包括第一滑动杆5、第二滑动杆6、第一平动板401和第二平动板402，第一平动板401和第二平动板402均与第二垂直板202平行，第一滑动杆5和第二滑动杆6均垂直于第二垂直板202，且均与螺杆1平行；
35.第一滑动杆5的两端分别固定连接第一垂直板201和第二垂直板202相对的侧面，第二滑动杆6的两端分别固定连接第一垂直板201和第二垂直板202相对的侧面；且螺杆1和压力传感器3均处于第一滑动杆5与第二滑动杆6之间；
36.第一平动板401和第二平动板402均通过两个通孔套接在第一滑动杆5和第二滑动杆6上，使得第一平动板401和第二平动板402能沿着第一滑动杆5和第二滑动杆6水平滑动。
37.在压力控制单元施加压力的过程中，螺杆1向固态电池7移动，螺杆1前端嵌套的绝缘套102与第一平动板401相接触，第一平动板401和第二平动板402之间夹持着固态电池7向压力传感器3移动，第二平动板402与压力传感器3接触，第一平动板401将压力从螺杆1传导至固态电池7，第二平动板402将压力从固态电池7传导至压力传感器3，所述压力传导单元可将压力控制单元对固态电池施加的压力传导至压力显示单元。
38.进一步可选的，所述第一滑动杆5包括第一滑动内杆501和第一绝缘套502，第二滑动杆6包括第二滑动内杆601和第二绝缘套602；
39.所述第一绝缘套502的内径与第一滑动内杆501的外径尺寸相同，第一绝缘套502可以紧密地套在第一滑动内杆501上；第二绝缘套602的内径与第二滑动内杆601的外径尺寸相同，第二绝缘套602可以紧密地套在第二滑动内杆601上。
40.进一步可选的，所述第一平动板401对应第一滑动杆5和第二滑动杆6的位置分别设有通孔，第二平动板402对应第一滑动杆5和第二滑动杆6的位置也分别设有通孔；第一平动板401和第二平动板402的通孔结构相同，均为拱形通孔；
41.所述拱形通孔的上部为拱形，下部为方形，拱形通孔的底部延伸至平动板的底部，即拱形通孔形成平动板底部的豁口；
42.第一滑动杆5和第二滑动杆6的外径相同，拱形通孔的拱形直径略大于第一滑动杆5的外径，使得第一平动板401和第二平动板402通过拱形通孔连接第一滑动杆5和第二滑动杆6，沿着两个滑动杆水平滑动。
43.进一步可选的，所述第一平动板401和第二平动板402与底座2上的绝缘层203接触，避免短路。
44.可选的，所述螺杆1、第一垂直板201、第二垂直板202、底座2、第一滑动内杆601、第二滑动内杆602、第一平动板401、第二平动板402均采用不锈钢材质制作，底座2上的绝缘层
203为聚四氟乙烯薄膜，绝缘套102、第一绝缘套502、第二绝缘套602均采用聚四氟乙烯材质制作，以防短路。
45.可选的，所述观测单元8包括成像仪器和能谱仪器，所述成像仪器选自原子力显微镜、光学显微镜等成像仪器；所述能谱仪器选自拉曼光谱、x射线光电子能谱等能谱仪器。
46.可选的，所述电化学测试单元选自电化学工作站、蓝电测试仪等，并通过导线或铜胶连接固态电池7的正负极或连接第一平动板401和第二平动板402。电化学测试单元可施加电化学信号，并对固态电池7施加包括循环伏安法、交流阻抗法、恒流充放电等在内的各种电化学测试程序。
47.所述固态电池是以固体电解质作为电解质的电池，所述固体电解质不具有流动性，包括但不限于无机固体电解质、聚合物固体电解质、复合固体电解质、凝胶固体电解质等材料。
48.所述可定量控制并显示压力的固态电池原位观测装置，工作原理如下：
49.首先组装好固态电池7，用导电铜胶将固态电池的正负极分别与第一平动板401内表面和第二平动板402内表面粘接在一起。通过导线或铜胶将电化学工作站与第一平动板401和第二平动板402相连，此时通过电化学工作站即可对第一平动板401和第二平动板402所连接的固态电池7进行电化学测试，在不需要定量控制和显示压力的情况下，可以直接用第一平动板401和第二平动板402夹持固态电池7进行电化学测试，并可通过观测单元8的仪器探究固态电池7在不同电化学条件下的行为。
50.在需要定量控制并显示压力的测试条件时，将第一平动板401、固态电池7和第二平动板402放置到底座2上的绝缘层203上，第一滑动杆5和第二滑动杆6穿过第一平动板401和第二平动板402上的拱形通孔，此时第一平动板401、固态电池7和第二平动板402可以一起沿着第一滑动杆5和第二滑动杆6自由水平滑动。
51.在施加压力前，通过传输数据线将压力传感器3和压力显示屏301连接，启动电源后对压力传感器3进行校准，压力显示屏301上显示压力传感器3所受到的实时压力。
52.在施加压力过程中，转动转动盘101，带动螺杆1沿着第一垂直板201的螺纹孔的螺纹进行水平移动，在绝缘套102接触到第一平动板401的外侧面和压力传感器3接触到第二平动板402的外侧面之前，固态电池7未受到两端的挤压力；随着转动盘101的转动，螺杆1和绝缘套102进一步水平移动，直至绝缘套102接触到第一平动板401的外侧面且压力传感器3接触到第二平动板402的外侧面，再进一步转动转动盘101，螺杆1的绝缘套102会对第一平动板401施加压力，由于压力传感器3固定在第二垂直板202上，第二平动板402在接触到压力传感器3后不会再沿着第一滑动杆5和第二滑动杆6发生大的位移，此时固态电池7受到与第一平动板401相同的压力，第二平动板402受到与固态电池7相同的压力，压力传感器3会受到与第二平动板402相同的压力，这样，压力传感器3所受到的压力与固态电池7所受到的压力相同，压力显示屏301实时显示压力传感器3所受到的压力，即实时显示固态电池7所受到的压力。
53.通过控制转动盘101带动螺杆1和绝缘套102沿着螺纹孔进行水平移动的位移量，控制固态电池7所受到的压力的大小，并通过压力显示屏301显示出来，再利用观测单元8，即可探究在不同压力大小下，固态电池7表现出的不同行为；同时固态电池7连接电化学工作站，通过电化学工作站对固态电池7进行电化学测试，再利用观测单元8探究在不同压力
大小下、不同电化学测试条件下，固态电池7表现出的行为差异。
54.通过固定螺杆1，保证固态电池7感受到固定的夹持压力，具体压力数值通过压力显示屏301读出，再通过电化学工作站对固态电池7进行电化学测试，通过观测单元8探究固态电池7在固定压力下，不同电化学条件下的行为。