基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法及系统

本发明涉及电子显微镜样品加工和电子显微镜原位测试，尤其涉及一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法及系统。

背景技术：

1、目前，对电池观测及性能的研究，离不开对电池微观结构及变化的观测，尤其是对电池充放电过程的观测。然而，作为最有力的微观结构观测工具，受电池中存在液态电解液成分等因素的影响，电镜对电池的观测仍然处于静态的、割裂的，而非动态的、整体的。

2、其中：静态的是指，电镜对电池的观测，无论是对正极材料、负极材料还是隔膜材料的观测，都需要将相关材料保持在一定状态下，而非在充放电的过程中进行动态观测；割裂的是指，电镜对电池的观测，往往需要将材料从整体电池中分离出来，不是在电池的真实环境中观测。例如，在发明专利申请cn202211296569中提出的“通过离子束研磨仪(cp)对正极材料颗粒进行切割，得到可观测颗粒截面的样品，使用扫描电子显微镜(sem)对截面图像进行拍摄”。再例如，在发明专利申请cn202210788217中，为了用透射电镜观测电池样品，需要“取出正极，刮下所述三元层状正极材料，对所述三元层状正极材料冲洗、过滤、烘干，得到测试样。”。可见：目前电子显微镜对电池的观测是静态的、割裂的，并不能充分反应电池在充放电过程中的动态的、整体的形貌和变化。

3、虽然有少量工作观测到了电池的充放电过程，也并没有能够使用真实的具有大规模生产条件或者工业化批量制成的全电池，而是采用了在苛刻实验室条件下制成的“半电池”。例如：南开大学章炜课题组在电镜内构建可进行恒流充放电测试的原位液体微电池，采用原位li-eels技术，解析了电池工况下锂离子的快速输运动力学问题，发表于2020年的《science》。显然，这种“半电池”的观测只能为生产和大规模应用提供原则性的指引，并无法完全解决实际生产应用中全电池的动态整体观测问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法及系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

2、为解决上述技术问题，本发明第一方面，提供一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法，所述方法包括：

3、在电池保护环境中将全电池的侧面封装结构全部或部分切除，得到包含切割面的切口；

4、对所述切口进行保护或镀膜处理，得到被保护的待观测全电池；

5、将所述被保护的待观测全电池转移至电子显微镜的显微腔体内，所述显微镜腔体连接充放电装置；

6、启动充放电装置并通过电子显微镜观测所述被保护的待观测全电池。

7、根据本发明一种优选实施方式，所述在电池保护环境中将全电池的侧面封装结构全部或部分切除包括：

8、将电池转移保护站安装于电池切割设备上，通过电池转移保护仓将全电池装入电池转移保护站，为其提供真空低温环境；

9、将电池转移保护仓安装至电池切割装置上，控制电池切割装置将全电池的侧面封装结构全部或部分切除。

10、根据本发明一种优选实施方式，所述对所述切口进行保护包括：

11、将电池转移保护站内有切口的全电池放入手套箱进行处理；

12、通过电池转移保护仓将手套箱内处理后的全电池放入电池保护设备中进行保护。

13、根据本发明一种优选实施方式，所述对所述切口进行镀膜处理包括：

14、将装有切口的全电池的电池转移保护站连同电池转移保护仓安装至镀膜设备上；

15、通过电池转移仓将电池托穿入镀膜设备的镀膜腔中对所述全电池的切口表面涂敷电子可透过但绝缘的保护层。

16、根据本发明一种优选实施方式，在启动充放电装置之前，所述方法还包括：

17、调节所述显微腔体内的温度至预定温度。

18、为解决上述技术问题，本发明第二方面提供一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测系统，包括：

19、电池转移保护仓和电池转移保护站，用于对全电池转移、切割和观测中的至少一个提供所需的保护环境；

20、电池切割装置，用于将全电池的侧面封装结构全部或部分切除，得到包含切割面的切口；

21、电池保护设备，用于对所述切口进行保护，得到被保护的待观测全电池；或者，电池镀膜设备，用于对所述切口进行镀膜处理，得到被保护的待观测全电池；

22、电子显微镜，包括：显微镜腔体，所述显微镜腔体穿设两个电极分别与充放电装置的两端连接。

23、根据本发明一种优选实施方式，所述电池转移保护仓包括：包括：转移腔体和传输杆，所述转移腔体的一侧设有第一开合器件，传输杆从所述转移腔体的另一侧穿入，并在所述第一开合器件打开时，可从第一开合器件的开口穿出；所述传输杆上设有样品台，所述转移腔体与至少一个保护环境提供设备相连；所述转移腔体与传输杆之间设有密封结构，所述密封结构包括：设于转移腔体上的连接部，传输杆穿于所述连接部，所述连接部内还穿设有垂直并接触所述传输杆的固定件。

24、根据本发明一种优选实施方式，所述电池保护站包括：与所述转移腔体匹配的保护腔体，所述保护腔体的一侧设有密封安装于所述第一开合器件外侧的安装板，所述保护腔体还设有抽气口和破空口；

25、所述保护腔体的另一侧设有第二开合器件；和/或，保护腔体的侧面设置观察窗口，保护腔体内设有可水平移动和旋转的样品移动台。

26、根据本发明一种优选实施方式，所述电池保护设备包括：主壳体，以及与所述主壳体密封且可打开的盖板，所述主壳体上绝缘并密封穿设有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极之间设有绝缘结构，所述主壳体还与保护环境提供装置密封连接。

27、根据本发明一种优选实施方式，所述充放电装置两端分别与第一导线和第二导线连接，所述第一导线和第二导线分别穿过显微腔体上的航插法兰，与电池保护设备的第一电极和第二电极相连。

28、综上所述，本发明的基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法及系统，能够在电池保护环境中将全电池的侧面封装结构全部或部分切除，得到包含切割面的切口；对切口进行保护或镀膜处理，得到被保护的待观测全电池；将被保护的待观测全电池转移至电子显微镜的显微腔体内，最后，启动显微腔体外的充放电装置为被保护的待观测全电池提供充放电并通过电子显微镜观测被保护的待观测全电池。通过本发明可以对批量生产的工业全电池的充放电过程进行动态的、整体的观测。

技术特征：

1.一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在电池保护环境中将全电池的侧面封装结构全部或部分切除包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述切口进行保护包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述切口进行镀膜处理包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在启动充放电装置之前，所述方法还包括：

6.一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电池转移保护仓包括：包括：转移腔体和传输杆，所述转移腔体的一侧设有第一开合器件，传输杆从所述转移腔体的另一侧穿入，并在所述第一开合器件打开时，可从第一开合器件的开口穿出；所述传输杆上设有样品台，所述转移腔体与至少一个保护环境提供设备相连；所述转移腔体与传输杆之间设有密封结构，所述密封结构包括：设于转移腔体上的连接部，传输杆穿于所述连接部，所述连接部内还穿设有垂直并接触所述传输杆的固定件。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电池保护站包括：与所述转移腔体匹配的保护腔体，所述保护腔体的一侧设有密封安装于所述第一开合器件外侧的安装板，所述保护腔体还设有抽气口和破空口；

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电池保护设备包括：主壳体，以及与所述主壳体密封且可打开的盖板，所述主壳体上绝缘并密封穿设有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极之间设有绝缘结构，所述主壳体还与保护环境提供装置密封连接。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述充放电装置两端分别与第一导线和第二导线连接，所述第一导线和第二导线分别穿过显微腔体上的航插法兰，与电池保护设备的第一电极和第二电极相连。

技术总结
本发明提供一种基于电子显微镜对全电池充放电原位观测方法及系统，涉及电池原位测试技术领域，所述方法包括：在电池保护环境中将全电池的侧面封装结构全部或部分切除，得到包含切割面的切口；对切口进行保护或镀膜处理，得到被保护的待观测全电池；将被保护的待观测全电池转移至电子显微镜的显微腔体内，最后，启动显微腔体外的充放电装置为被保护的待观测全电池提供充放电并通过电子显微镜观测被保护的待观测全电池。通过本发明可以对批量生产的工业全电池的充放电过程进行动态的、整体的观测。

技术研发人员：鞠晶,林建华,廖复辉,曹晓帆,刘晓斌,宋岚,张科阳,张谷一
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25