一种可观察固态和液态电池界面的原位光学综合测试装置

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种可观察固态和液态电池界面的原位光学综合测试装置。

背景技术

锂离子电池因具备优越的综合电化学性能，目前广泛应用于消费电子领域。而电池中正负极与电解液界面的性质对锂离子电池的充放电效率、能量效率、能量密度、功率密度、循环性、服役寿命、安全性、自放电等特性具有重要的影响。界面问题是锂离子电池基础研究的核心。

同时近年来，电动汽车、大型储能设备等的发展迫切需要功率密度更高、能量密度更高、循环寿命更长、安全性更好的二次锂电池，固态电池由于在能量密度和安全性能等方面的巨大潜力受到了国内外的广泛关注。在固态电池技术研究中，电极与固态电解质的界面问题仍然是研究的重点与难点，如界面阻抗大、体积变化等问题。采用不同种类的电解质组装电池，并对充放电循环过程中电池界面的变化实现原位观测，可以帮助我们深入探究实际过程中电池界面问题的机理和影响因素，从而进一步指导固态、液态锂电池中界面问题的解决方案。

采用具有极高理论比容量的金属锂是提高锂电池能量密度一个重要方案，也是目前锂电池领域的研究热点。但在传统的锂离子电池中，金属锂负极在循环过程中极易产生锂枝晶，若锂枝晶从电池极片表面脱落形成“死锂”，会减少有效活性锂含量，从而导致电池容量降低；若枝晶在锂负极表面不断生长，进一步刺穿隔膜接触到正极，则会使电池发生内部短路，带来严重的火灾甚至爆炸等一系列安全问题。具有高机械强度的固态电解质理论上可以有效抑制锂枝晶的刺穿，但实际上锂枝晶生长的问题依然存在，没有得到彻底解决。但目前对于液态电池中电极界面锂沉积溶解的原位过程和反应机制研究不足，对于固态电池中界面过程的研究更是十分缺乏，对于固态电解质抑制锂枝晶的机理也不清晰，缺少连续实时的表征手段观察电极与电解质的界面过程，因此迫切需要一种简单有效的原位观测装置匹配各种原位测试手段与方法，对电极/电解质界面的锂沉积溶解行为进行原位观测，进一步研究界面过程的影响因素和反应机制。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种可观察固态和液态电池界面的原位光学综合测试装置，用以解决现有锂离子电池中无法实现对电极或者电解质界面的锂沉积溶解行为进行原位观测，进一步研究界面过程的影响与反应机制的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可观察固态和液态电池界面的原位光学综合测试装置，包括电池固定台、下密封壳体和上密封壳体；上、下密封壳体通过螺栓固定连接；电池固定台通过螺丝连接下密封壳体。

进一步，电池固定台为两面，分别为电池固定台正面与电池固定台反面；电池固定台正面包含一个环状液体槽，用于组装液态电池；电池固定台反面为一平面，用于组装固态电池；电池固定台正面的环状液体槽底部中央处固定一块表面镀金的液态电池石英片；电池固定台反面中央处固定一块表面镀金的固态电池石英片。

进一步，电池固定台的两端分别设有贯穿其上下两面的第一圆孔、第一螺纹孔；第一圆孔用于固定与下密封壳体相连通的电池负极，第一螺纹孔用于固定和上密封壳体相连通的电池正极。

进一步，上密封壳体包括第一绝缘圆盘、第一密封圈、石英片、第二密封圈、第一导电圆盘与第三密封圈；所述第一绝缘圆盘中央设置有第一观察口，第一导电圆盘的中央设有第二观察口；第一绝缘圆盘的下表面中央设有用于放置第一密封圈的第一凹槽；第一导电圆盘的上表面设有放置第二密封圈的第二凹槽。

进一步，上密封壳体中第一导电圆盘与第一绝缘圆盘用螺栓连接；第一导电圆盘下表面与电池固定台正面相接，第一导电圆盘的下表面设有用于放置第三密封圈的第三凹槽；

进一步，石英片置于第一密封圈于第二密封圈之间。

进一步，第一导电圆盘为不锈钢材质，所述第一绝缘圆盘为聚四氟乙烯材质。

进一步，下密封壳体包括第二绝缘圆盘、第二导电圆盘；所述第二绝缘圆盘上设有圆柱形凹槽，用于放置电池固定台，圆柱形凹槽底面与所述电池固定台的反面接触，圆柱形凹槽底面设有一个与电池固定台的第一圆孔位置相对应的第二圆孔。

进一步，第二导电圆盘与第二绝缘圆盘采用螺栓连接；第二导电圆盘设有一个与第二绝缘圆盘的第二圆孔位置相对应的第三螺纹孔。

进一步，第二导电圆盘为不锈钢材质，所述第二绝缘圆盘为聚四氟乙烯材质。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明提出的电池测试装置设计电池固定台的正反两面，分别来放置液态电池与固态电池。并且在电池固定台正面上设计环状液体槽，巧妙而简洁将液态电池组装部分集中到电池固定台的正面；考虑到固态电池的固定性，在电池固定台反面保留原有的平面，将固态电池通过螺纹孔与固定孔集中在电池固定台的反面上，最终可以将固态电池与液态电池分别固定在电池固定台上，实现“一体两用”，是一种可支持对固态(特别针对凝胶电解质类)、液态两种电池的电极界面进行原位光学观察的综合测试装置。

2、本发明设置的电池固定台使得固态、液态电池与上、下密封壳体之间通过螺丝固定和实现电接触，简化了各种导线连接，使装置的整体安装更简单，且连接稳定可靠。

3、本发明中上密封壳体中的第一绝缘盘与第一导电盘为不锈钢或者是聚四氟乙烯材质，透光性差，为了保证整个观测光路的通透性，在上密封壳体上设置有第一观察口与第二观察口，用以观察液态电池中的充放电行为；在电池固定台反面与下密封壳体中设置一个简单的平面，用以观察固态电池的充放电行为，实现了固态、液态电池充放电循环过程中对电池界面的原位光学成像，并且可适用于各种光学仪器：光学显微镜，红外，拉曼光谱仪等，适用范围广。本发明整体结构简单，安装方便，密封性好，安全稳定，因而可以广泛应用于固态、液态电池的观察和测试中。

4、本申请中在上密封壳体中设置第一与第二密封圈，用以保证石英片的密封性；同时本申请中在上密封壳体的第一导电圆盘的下表面设置第三密封圈，保证上密封壳体与下密封壳体之间的密封性，保证电池反应在完全密封的状态下进行反应，保证实验结果的准确性。

5、本发明中除了设置多个密封圈来保证装置的气密性，上下密封壳体中设置的螺纹孔与固定孔相对应设置与分布，如第一导电圆盘上设置有与第一固定孔和第二固定孔位置对应的第三固定孔和第二螺纹孔，第一绝缘圆盘和第一导电圆盘通过穿过第二固定孔和第二螺纹孔的螺栓固定连接；第二绝缘圆盘上间隔设置有第四固定孔和第五四固定孔，第二导电圆盘上设置有与第四固定孔和第五固定孔位置对应的第四螺纹孔和第五螺纹孔，第二绝缘圆盘和第二导电圆盘通过穿过第五固定孔和第五螺纹孔的螺栓固定连接。以上设置可以充分保证整个装置组装过程中的气密性。

6、本发明的固定台正面和反面的正中央处均用双面胶固定有一块表面镀金的石英片，起到反光的作用，以提高光学成像视野的亮度和清晰度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1位本发明电池固定台结构正面示意图；

图2为本发明电池固定台结构反面示意图；

图3为本发明上密封壳体结构示意图；

图4为本发明下密封壳体结构示意图；

图5为本发明液态电池组装示意图；

图6为本发明固态电池组装示意图；

图7为本发明固态电池锂枝晶生长光学成像图。

附图标记：

11-电池固定台正面；12-电池固定台反面；13-环状液体槽；14-第一圆孔；15-第一螺纹孔；21-第一绝缘圆盘；22-第一密封圈；23-石英片；24-第二密封圈；25-第一导电圆盘；26-第三密封圈；211-第一固定孔；212-第二固定孔；213-第一观察口；214-第一凹槽；251-第三固定孔；252-第二螺纹孔；253-第二观察口；254-第二凹槽；255-第三凹槽；31-第二绝缘圆盘；32-第二导电圆盘；311-第四固定孔；312-第五固定孔；313-圆柱形凹槽；314-第二圆孔；321-第四螺纹孔；322-第五螺纹孔；323-第三螺纹孔；41-液态电池负极片；42-液态电池正极片；43-液态电池石英片；44-固态电池负极片；45-固态电池正极片；46-固态电池石英片。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明为研究上述问题提供了一种操作简便、易于组装的原位光学观察固态或液态电池界面综合测试装置，如图1～6所示，本发明采取的技术方案如下：一种可观察固、液态电池界面的原位光学综合测试装置，包括电池固定台，上密封壳体与下密封壳体；上、下密封壳体通过螺栓固定连接，电池固定台通过螺丝连接上密封壳体与下密封壳体实现固定；电池固定台是用以组装电池(含正、负极及电解质)的核心部件，电池的负极部分与下密封壳体连通，正极部分与上密封壳体连通。本发明通过更换上密封壳体与下密封壳体的放置方式，即可分别实现对固态电池和液态电池进行组装和电化学测试，并相应地对不同电池体系进行电极界面过程的原位光学观测。

电池固定台采用聚四氟乙烯材质制作，如图1与图2所示，包括电池固定台正面11与电池固定台反面12，电池固定台正面11包含一个环状液体槽13，用于组装液态电池，进行液态电池界面的观测与测试；电池固定台反面12为一平面，不含有环状液体槽，用于组装固态电池，进行固态电池界面的观测与测试，固态电池电解质包括有机电解质类的、无机电解质、无机-有机复合电解质。电池固定台的两端设有一个贯穿电池固定台正面11与电池固定台反面12的第一圆孔14和第一螺纹孔15，第一圆孔14处用于固定与下密封壳体相连通的电池负极，第一螺纹孔15用于固定与上密封壳体相连通的电池正极。

上密封壳体包括第一绝缘圆盘21、第一密封圈22、石英片23、第二密封圈24、第一导电圆盘25以及第三密封圈26；第一绝缘圆盘21中央设置有第一观察口213，且第一绝缘圆盘21的下表面中央设有第一凹槽214，用于放置第一密封圈22与第二密封圈24；

第一导电圆盘25与第一绝缘圆盘21用螺栓连接，第一导电圆盘25中央设置有第二观察口253，且第一导电圆盘下表面与电池固定台上表面相接触，第一导电圆盘的上表面设有用于放置第一密封圈22与第二密封圈24的凹槽；第一导电圆盘的下表面设有用于放置第三密封圈的第二凹槽254；石英片23在第一绝缘圆盘和第一导电圆盘的第一观察口213与第二观察口253之间，石英片23设置在第一密封圈22与第二密封圈24之间且第一密封圈位于石英片23的上表面，第二密封圈24位于石英片的下表面；第三密封圈26设置在第一导电圆盘25和第二绝缘圆盘31接触处。

第一导电圆盘采用不锈钢材质制作，第一绝缘圆盘采用聚四氟乙烯材质制作。

下密封壳体包括第二绝缘圆盘31、第二导电圆盘32；第二绝缘圆盘31上设有圆柱形凹槽313，用于放置电池固定台，圆柱形凹槽底面与电池固定台反面接触，圆柱形凹槽313底面设有一个与电池固定台的第一圆孔位置相对应的第二圆孔314；第二导电圆盘32与第二绝缘圆盘31用螺栓连接，且第二导电圆盘设有一个与第二绝缘圆盘的第二圆孔314位置相对应的第三螺纹孔323；

第二导电圆盘采用不锈钢材质制作，第二绝缘圆盘采用聚四氟乙烯材质制作。

本发明提供的一种原位光学观察固态、液态电池界面综合测试装置，包括电池固定台、上密封壳体以及下密封壳体，上、下密封壳体之间通过螺栓固定连接，电池固定台和下密封壳体通过螺栓固定连接。电池固定台用于组装以及固定电池结构，并将固态电池的正极部分与上密封壳体连通，将固态电池的负极部分与下密封壳体连通。

如图1所示，电池固定台为一绝缘圆柱体，包括电池固定台正面11与电池固定台反面12。电池固定台正面11用于观测与测量液态电池，包含一个环状液体槽13，用于盛装液态电解质；电池固定台反面12为一平面，不含有环状液体槽，用于组装放置凝胶电解质类固态电池，固化前的凝胶电解质定量滴于电池固定台反面12的中心位置；环状液体槽13的两端附近分别开设有一个贯穿其正反两面的第一圆孔14和第一螺纹孔15，第一圆孔14用于固定与下密封壳体相连通的电池负极(包括液态电池与固态电池)，第一螺纹孔15用于固定与上密封壳体相连通的电池正极(包括液态电池与固态电池)。

如图3所示，上密封壳体包括第一绝缘圆盘21和第一导电圆盘25、石英片23、第一密封圈22、第二密封圈24以及第三密封圈26。第一绝缘圆盘21中央设置第一观察口213，且第一导电圆盘25的下表面中央设有用于放置小密封圈的第一凹槽214；第一导电圆盘25与第一绝缘圆盘21用螺栓连接，第一导电圆盘25中央设置有第二观察口253，且第一导电圆盘25的上表面设有用于放置第二密封圈24的凹槽，第一导电圆盘25的下表面设有用于放置第三密封圈26的第三凹槽255；石英片23设置在第一绝缘圆盘21和第一导电圆盘25的第一观察口213和第二253之间；第一密封圈22设置在第一绝缘圆盘21下表面的第一凹槽214内，第二密封圈24设置在第一导电圆盘25上表面的第二凹槽254内；第三密封圈26设置在第一导电圆盘25下表面的第三凹槽255内，与下述第二绝缘圆盘31接触。

如图4所示，下密封壳体包括第二绝缘圆盘31、第二导电圆盘32。第二绝缘圆盘31中心设置有一个圆柱形凹槽313，用于放置电池固定台，圆柱形凹槽313底部与电池固定台反面12接触，且第二绝缘圆盘31的圆柱形凹槽313中靠近中央处设置有与电池固定台的第一圆孔14位置相对应的第二圆孔314。第二导电圆盘32与第二绝缘圆盘31螺栓连接，且第二导电圆盘32设置有与第一圆孔14以及第二圆孔314相对应的第三螺纹孔323。

上述实施例中，电池固定台采用聚四氟乙烯材质制作，第一绝缘圆盘21采用聚四氟乙烯材质制作，第一导电圆盘25采用不锈钢材质制作，第二绝缘圆盘31采用聚四氟乙烯材质制作，第二导电圆盘32采用不锈钢材质制作。

上述各实施例中，第一绝缘圆盘21上间隔设置有第一固定孔211和第二固定孔212，第一导电圆盘25上设置有与第一固定孔211和第二固定孔212位置对应的第三固定孔251、第二螺纹孔252，第一绝缘圆盘21和第一导电圆盘25通过穿过第二固定孔212和第二螺纹孔252的螺栓固定连接。

上述各实施例中，第二绝缘圆盘31上间隔设置有第四固定孔311和第五固定孔312，第二导电圆盘32上设置有与第四固定孔311和第五固定孔312位置对应的第四螺纹孔321和第五螺纹孔322，第二绝缘圆盘31和第二导电圆盘32通过穿过第五固定孔312和第五螺纹孔322的螺栓固定连接。

为了提高光学成像视野的亮度，本发明通过电池固定台上设置石英片设置来实现，如图5所示，液态电池采用电池固定台正面11，电池固定台正面11的环状液体槽13中央用双面胶固定上一块镀金的液态电池石英片43。如图6中所示，固态电池采用电池固定台反面12，电池固定台反面朝上放置在第二绝缘圆盘31中央的圆柱形凹槽313内。电池固定台反面12中央处用双面胶固定上一块表面镀金的固态电池石英片46。

为了保证电池的绝缘性，液态电池负极片41的一端通过双面胶固定在电池固定台的第一圆孔14附近，剪取小块负极的集流体覆盖在液态电池负极片41这一端上面；液态电池正极片42的一端通过双面胶固定在电池固定台的螺纹孔15。固态电池负极片44的一端通过双面胶固定在电池固定台的第一圆孔14附近，剪取小块负极的集流体覆盖在负极片这一端上面；将固态电池正极片45的另一端延伸至反面中心附近，与固态电池负极片44相对但留出一定的距离。

本发明的工作原理如下：对于液态电池的工作原理，如图5所示，采用电池固定台正面11朝上放置在第二绝缘圆盘31中央的圆柱形凹槽313内。电池固定台正面11的环状液体槽13底部中央处用双面胶固定上一块表面镀金的液态电池石英片43，以提高光学成像视野的亮度。随后进行电池组装，将液态电池负极片41的一端通过双面胶固定在电池固定台的第一圆孔14附近，剪取小块负极集流体覆盖在液态电池负极片41这一端上面，用长螺丝依次穿过负极集流体、第一圆孔14、第二圆孔314和第三螺纹孔323，将电池固定台固定于下密封壳体，并将电池整个负极部分固定并连通到第二导电圆盘32；并且为防止电池负极部分在整体装置组装过程中接触到第一导电圆盘25，需在长螺丝螺帽上再覆盖一小段双面胶，保证负极部分与第一导电圆盘25完全绝缘；将负极片的另一端弯折后放置于环状液体槽13内。将液态电池正极片42的一端通过双面胶固定在电池固定台的螺纹孔15附近，剪取小块正极的集流体覆盖在负极片这一端上面，用短螺丝依次穿过正极集流体和第一螺纹孔15，将电池正极部分固定于电池固定台，将液态电池正极片42的另一端弯折后放置于环状液体槽13内，与液态电池负极片41相对放置但留出一定的距离。环状液体槽13内两相对放置的正、负极片正对上密封壳体中第一绝缘圆盘21和第一导电圆盘25的第一观察口213和第一观察口253，保证光学显微镜可观察到正、负极与电解质界面。电解液适量滴加于环状液体槽13内，电解液的量保证可以浸没环状液体槽13内相对放置的正负极部分。

固态电池的电池工作原理与液态电池大致相同，同时也有一些细节上的差异。如图6中所示，固态电池采用电池固定台反面12，电池固定台反面朝上放置在第二绝缘圆盘31中央的圆柱形凹槽313内。电池固定台反面12中央处用双面胶固定上一块表面镀金的固态电池石英片46，以提高光学成像视野的亮度。随后进行电池组装，将固态电池负极片44的一端通过双面胶固定在电池固定台的第一圆孔14附近，剪取小块负极的集流体覆盖在负极片这一端上面，用长螺丝依次穿过负极集流体、第一圆孔14、第二圆孔314和第三螺纹孔323，将电池固定台固定于下密封壳体，并将电池整个负极部分固定并连通到第二导电圆盘32；并且为防止电池负极部分在整体装置组装过程中接触到第一导电圆盘25，需在长螺丝螺帽上再覆盖一小段双面胶，保证负极部分与第一导电圆盘25完全绝缘；将固态电池负极片44的另一端延伸至反面中心附近。将固态电池正极片45的一端通过双面胶固定在电池固定台的第一螺纹孔15附近，剪取小块正极集流体覆盖在负极片这一端上面，用短螺丝依次穿过正极集流体和第一螺纹孔15，将电池正极部分固定于电池固定台，将固态电池正极片45的另一端延伸至反面中心附近，与固态电池负极片44相对但留出一定的距离。环状液体槽13内两相对放置的正、负极片正对上密封壳体中第一绝缘圆盘21和第一导电圆盘25的第一观察口213与第二观察口253，保证光学显微镜可观察到正、负极与电解质界面。固化前的凝胶电解质则适量滴加于反面中心，凝胶电解质的量保证可以浸润反面中心附近的正负极部分。

进行上密封壳体的组装，即将第一绝缘圆盘21、密封圈22、石英片23、密封圈24、第一导电圆盘25和第三密封圈26按顺序组装，并使第二固定孔212和第二螺纹孔252对齐，通过螺丝固定到一起。

进行下密封壳体的组装，即将第二绝缘圆盘31第二导电圆盘32，通过第五固定孔312及第五螺丝孔322固定到一起。

将组装完成的液态或固态电池，通过螺丝穿过电池固定台上的第一圆孔14、第二绝缘圆盘31的圆柱形凹槽内的第二圆孔314、第二导电圆盘32上的第三螺纹孔323，固定于下密封壳体中的第二导电圆盘32，并使得液态或固态电池的负极部分与下密封壳体中的第二导电圆盘32实现电接触。

在上密封壳体内第一导电圆盘25中预留好的第三凹槽255处放入第三密封圈26，最后盖上上密封壳体，并用螺丝依次通过第一绝缘圆盘21上的第一固定孔211、第一导电圆盘25上的第三固定孔251、第二绝缘圆盘31上的第四固定孔311、第二导电圆盘32上的第四螺纹孔321，即可实现整体观察装置的固定，压紧密封圈26时，液态或固态电池正极部分通过电池固定台上第一螺纹孔15插入的螺丝与上密封壳体中的第一导电圆盘25接触。

从第一导电圆盘25和第二导电圆盘32处分别接出与正极、负极导通的导线，即可对液态或固态电池进行一系列电化学测试。在进行电化学测试的同时，将此装置置于光学显微镜镜头下，通过上密封壳体处的第一观察口213和第二观察口253以及透明的石英片23，即可实现对液态或固态电池电极/电解质界面的原位观察，从而获得液态或固态电池中负极与电解质界面锂沉积溶解的原位过程。如附图7所示，在固态电池的电池界面反应中，金属锂沉积在铜片表面，而锂沉积到一定程度时有锂枝晶生成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。