一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，包括以下步驟：鋰離子電池的制備，負(fù)極是金屬鋰、觀察對象為正極、電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)電膠作為正極集流體；鋰離子電池的封裝和轉(zhuǎn)移，在于電池在封裝盒中進(jìn)行封裝和轉(zhuǎn)移、封裝盒內(nèi)可抽為負(fù)壓、當(dāng)盒外的壓力小于盒內(nèi)時，盒蓋可自行彈開恢復(fù)自然狀態(tài)；鋰離子電池體系與電化學(xué)性能測試儀器相連,本發(fā)明在一臺計算機(jī)上同時控制掃描電子顯微鏡和電化學(xué)性能測試儀器，電化學(xué)反應(yīng)與觀測同步進(jìn)行，實現(xiàn)了對電極材料在充放電過程中的微觀形貌、結(jié)構(gòu)以及成分的變化進(jìn)行同步原位觀測和分析的目。
【專利說明】一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，鋰離子電池作為一種非常重要的可再生能源，已成為全世界研究的焦點(diǎn)。鋰離子電池具有比容量高、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動通訊設(shè)備、筆記本電腦和動力汽車等領(lǐng)域。近年來，新一代電子產(chǎn)品及新能源汽車的開發(fā)與應(yīng)用不斷擴(kuò)大，使人們對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，鋰離子電池電極材料是鋰離子電池的核心，直接影響著電池的各種性能指標(biāo)。
[0003]各國學(xué)者對鋰離子電極材料的研究除了探索新材料以外，對現(xiàn)有電極材料的研究主要集中在應(yīng)用問題上，這就需要在電池體系中對電極反應(yīng)過程進(jìn)行更為深入的研究以取突破，而目前，鋰離子電池電極材料在電極反應(yīng)過程中微觀組織形貌、結(jié)構(gòu)和成分等物理化學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化卻無法觀測，更無法進(jìn)行系統(tǒng)地分析，
掃描電子顯微鏡(簡稱“掃描電鏡”或“SEM”)是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像，以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等，掃描電子顯微鏡可以采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現(xiàn)，如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信肩、O
[0004]目前，掃描電子顯微鏡在納米材料研究中已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，在鋰離子電池電極材料研究領(lǐng)域更是不可或缺的表征手段，雖然，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，研究者們已經(jīng)根據(jù)不同需求，對掃描電子顯微鏡在功能和配置上進(jìn)行了相應(yīng)地改進(jìn)。但是，相應(yīng)的改進(jìn)仍然停留著對材料的靜態(tài)分析或者合成階段的跟蹤觀測和分析，而針對電極材料電化學(xué)反應(yīng)過程的動態(tài)觀測和分析，卻沒有相應(yīng)地技術(shù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，是結(jié)合掃描電子顯微鏡技術(shù)和電池充放電技術(shù)，對充放電過程中的鋰離子電池電極材料實施跟蹤觀測和分析，可以對鋰離子電池電極材料在電極反應(yīng)過程中微觀組織形貌、結(jié)構(gòu)和成分等物理化學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化進(jìn)行觀測，為深入研究和系統(tǒng)分析電池體系中的電極反應(yīng)過程提供了條件，在一臺計算機(jī)上同時控制掃描電子顯微鏡和電化學(xué)性能測試儀器，電化學(xué)反應(yīng)與觀測同步進(jìn)行，實現(xiàn)了對電極材料在充放電過程中的微觀形貌、結(jié)構(gòu)以及成分的變化進(jìn)行同步原位觀測和分析的目的。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案是:一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，具體是包括以下步驟:1)鋰離子電池的制備:負(fù)極是金屬鋰、觀察對象為正極、電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)電膠作為正極集流體。
[0007]2)鋰離子電池的連線和封裝，是在封裝盒中進(jìn)行連線，封裝和轉(zhuǎn)移。
[0008]3)電池充放電過程的觀測和分析。
[0009]步驟I) 所述鋰離子電池包括鋰離子電池電極材料，金屬線，金屬鋰片，電解質(zhì)，集流體和引線，所述的集流體是將金屬線焊接成金屬網(wǎng)；在金屬網(wǎng)的一面疊加一層導(dǎo)電膠；集流體作為正極集流體，帶有引線的金屬鋰片作為負(fù)極，集流體的一側(cè)涂覆活性電極材料，然后分別在電極材料和金屬鋰片的表面涂覆形成固態(tài)電解質(zhì)的漿，烘干后將電極與金屬鋰片上涂覆了電解質(zhì)的一面緊密壓合在一起，即完成鋰離子電池的制備。
[0010]步驟2)所述的電池的連線和封裝，具體是指在惰性氣氛的手套箱中連線和封裝鋰離子電池體系，制作好的鋰離子電池放置于封裝盒中央，供觀測的正極一側(cè)向上、鋰片向下放置；盒蓋上設(shè)有單向閥；盒蓋與盒體靠彈簧連接；電池的引線接入封裝盒的內(nèi)部接口，內(nèi)外接口相通，外部接口連接外電路。
[0011]步驟3)所述的電池充放電過程的觀測和分析具體是指封裝盒固定于掃描電鏡內(nèi)的樣品臺上，所述樣品臺上的帶有金屬夾具，掃描電子顯微鏡電鏡的觀測室上設(shè)有與外部電化學(xué)測試儀器相連的導(dǎo)線，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)接頭與封裝盒側(cè)壁上的外部接口連接，控制掃描電子顯微鏡的計算機(jī)同時安裝有控制鋰離子電池體系電化學(xué)性能測試儀器的軟件，在對電池充放電反應(yīng)進(jìn)行觀測和分析的過程中，通過軟件設(shè)定和改變電池充放電制度，
步驟I)所述的鋰離子電池電極材料包括LiFePO2, LiMPO4 (M=Fe, Mn，Co, Ni),Li (MnxNi2_x) O4 (O ^ x ^ 2), Li (NixCoyMn1^y)O2 (O ≤ x，y ≤ I), LiFeSO4F, XLi2MnO3.(1-χ)LiMO2 (0<x<I,M=Mn,Co,Ni), Li2MSiO4 (Μ = Mn, Fe, Co)，LiMVO4 (M=Ni，Co，Cu)，MVO4 (M=Fe，In), Fe2V4O13, Fe4 (V2O7) 3.3H2O, LiVOPO4, LiVO2, LiV2O4, LiV3O8, MnO2, V2O5, V6O13, Fe2O3, Fe3O4,MS (M=Cu，NiXAg4Hf3S8，聚合物電極材料，碳基材料，Si 基材料，LixM (M=Si，Ge，Sn，Pb，Al，Ga，Sb，In，Cd，Zn)，Sn-Fe-C合金材料，金屬基合金材料，金屬基氧化物和相應(yīng)的鹽，過渡金屬氮化物，過渡金屬磷化物，過渡金屬氧化物；正極材料的厚度范圍為1-500μπι。
[0012]步驟I)所述的帶有引線的金屬鋰片作為另一極，電解質(zhì)為固態(tài)電解質(zhì)，厚度在100^200 μ m,其種類包括聚氧乙烯及其衍生物體系的聚合物電解質(zhì)、LiPON薄膜電解質(zhì)以及玻璃態(tài)硫化物體系的無機(jī)電解質(zhì)。
[0013]步驟I)所述金屬鋰的金屬鋰片的厚度為1~500μπι。
[0014]步驟I)所述金屬網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)焊接引線是指引線擰成一束，涂覆硅膠粘結(jié)劑。
[0015]步驟I)所述的導(dǎo)電膠帶有扎孔，扎孔與金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔相通。
[0016]步驟2)所述制作好的鋰離子電池放置于封裝盒中央，封裝盒中央有放置電池的凹槽，凹槽深度與鋰片厚度相同，盒蓋邊緣有密封墊圈，盒體與密封墊圈相對應(yīng)的位置有凹槽，盒身邊緣有放置密封墊圈的塑料凹槽，鋰片放同置在凹槽內(nèi)。
[0017]本發(fā)明的有益效果是公開了一種對電極材料電化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行動態(tài)觀測和分析的技術(shù)方案。可以對鋰離子電池電極材料在電極反應(yīng)過程中微觀組織形貌、結(jié)構(gòu)和成分等物理化學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化進(jìn)行觀測，為深入研究和系統(tǒng)分析電池體系中的電極反應(yīng)過程提供了條件。
[0018]本發(fā)明在一臺計算機(jī)上同時控制掃描電子顯微鏡和電化學(xué)性能測試儀器，電化學(xué)反應(yīng)與觀測同步進(jìn)行，實現(xiàn)了對電極材料在充放電過程中的微觀形貌、結(jié)構(gòu)以及成分的變化進(jìn)行同步原位觀測和分析的目的。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明的鋰離子電池示意圖的主視圖；
圖2本發(fā)明的鋰離子電池示意圖的俯視圖；
圖3本發(fā)明的安裝有鋰離子電池的封裝盒的主視圖；
圖4本發(fā)明的安裝有鋰離子電池的封裝盒的俯視圖；
圖5本發(fā)明的實施體系示意圖。
[0021]圖中:1金屬網(wǎng)2導(dǎo)電膠3正極材料4固態(tài)電解質(zhì)5鋰片6彈簧7凹槽8單向閥9外部插孔10內(nèi)部插孔11鋰離子電池12掃描電子顯微鏡13計算機(jī)14電化學(xué)性能測試儀器。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不是對本發(fā)明的限制。
[0023]實施例1 一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，具體是包括以下步驟:
I)鋰離子電池的制備:
首先將金屬線焊接成金屬網(wǎng)I，在金屬網(wǎng)的一面疊加一層帶有扎孔的導(dǎo)電膠2，保證扎孔與網(wǎng)孔相通，在導(dǎo)電膠上涂覆活性正極材料3，帶有引線的金屬鋰片5作為負(fù)極，然后，在惰性氣氛的手套箱中，分別在電極材料和金屬鋰片的表面涂覆形成固態(tài)電解質(zhì)的漿4，電解質(zhì)為固態(tài)電解質(zhì)，厚度在100 μ m，其種類包括聚氧乙烯及其衍生物體系的聚合物電解質(zhì)、LiPON薄膜電解質(zhì)以及玻璃態(tài)硫化物體系的無機(jī)電解質(zhì)，烘干后將電極與金屬鋰片上涂覆了電解質(zhì)的一面緊密壓合在一起，金屬鋰的金屬鋰片的厚度為I μ m。
[0024]2)電池的連線和封裝:
在惰性氣氛的手套箱中，將制作好的鋰離子電池11放置于封裝盒中央凹槽7內(nèi)，供觀測的正極一側(cè)向上、鋰片向下放置。電池的引線接入封裝盒的內(nèi)部接10，連接盒蓋上的單向閥8和抽氣裝置，用力關(guān)閉盒蓋，抽氣至盒蓋不再被彈簧6彈開。
[0025]3)電池充放電過程的觀測和分析:
固定封裝盒于掃描電鏡內(nèi)帶有夾具的樣品臺上，將掃描電子顯微鏡12觀測室的內(nèi)設(shè)導(dǎo)線插入封裝盒的外部插口 9，在把與內(nèi)設(shè)導(dǎo)線相連的外部導(dǎo)線連接到外部的電化學(xué)測試儀器14。關(guān)閉掃描電鏡觀測室，分別開啟控制掃描電子顯微鏡的計算機(jī)13和鋰離子電池體系電化學(xué)性能測試儀器的軟件，對觀測室進(jìn)行抽氣過程中，隨著氣壓的下降，封裝盒的盒蓋在彈簧作用下自行彈開。設(shè)定和運(yùn)行電池的充放電等過程，對電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行同步觀測和分析。
[0026]實施例2 —種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，具體是包括以下步驟:
I)鋰離子電池的制備:
首先將金屬線焊接成金屬網(wǎng)I，在金屬網(wǎng)的一面疊加一層帶有扎孔的導(dǎo)電膠2，保證扎孔與網(wǎng)孔相通，在導(dǎo)電膠上涂覆活性正極材料3，帶有引線的金屬鋰片5作為負(fù)極。然后，在惰性氣氛的手套箱中，分別在電極材料和金屬鋰片的表面涂覆形成固態(tài)電解質(zhì)的漿4，電解質(zhì)為固態(tài)電解質(zhì)，厚度在150 μ m，其種類包括聚氧乙烯及其衍生物體系的聚合物電解質(zhì)、LiPON薄膜電解質(zhì)以及玻璃態(tài)硫化物體系的無機(jī)電解質(zhì)，烘干后將電極與金屬鋰片上涂覆了電解質(zhì)的一面緊密壓合在一起，金屬鋰的金屬鋰片的厚度為100 μ m。
[0027]2)電池的連線和封裝:
在惰性氣氛的手套箱中，將制作好的鋰離子電池11放置于封裝盒中央凹槽7內(nèi)，供觀測的正極一側(cè)向上、鋰片向下放置。電池的引線接入封裝盒的內(nèi)部接10，連接盒蓋上的單向閥8和抽氣裝置，用力關(guān)閉盒蓋，抽氣至盒蓋不再被彈簧6彈開。
[0028]3)電池充放電過程的觀測和分析:
固定封裝盒于掃描電鏡內(nèi)帶有夾具的樣品臺上，將掃描電子顯微鏡觀測室的內(nèi)設(shè)導(dǎo)線插入封裝盒的外部插口 9，在把與內(nèi)設(shè)導(dǎo)線相連的外部導(dǎo)線連接到外部的電化學(xué)測試儀器。關(guān)閉掃描電鏡觀測室，分別開啟控制掃描電子顯微鏡的計算機(jī)和鋰離子電池體系電化學(xué)性能測試儀器的軟件，對觀測室進(jìn)行抽氣過程中，隨著氣壓的下降，封裝盒的盒蓋在彈簧作用下自行彈開。設(shè)定和運(yùn)行電池的充放電等過程，對電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行同步觀測和分析。
[0029]實施例3 —種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，具體是包括以下步驟:
I)鋰離子電池的制備:
首先將金屬線焊接成金屬網(wǎng)I，在金屬網(wǎng)的一面疊加一層帶有扎孔的導(dǎo)電膠2，保證扎孔與網(wǎng)孔相通，在導(dǎo)電膠上涂覆活性正極材料3，帶有引線的金屬鋰片5作為負(fù)極。然后，在惰性氣氛的手套箱中，分別在電極材料和金屬鋰片的表面涂覆形成固態(tài)電解質(zhì)的漿4，電解質(zhì)為固態(tài)電解質(zhì)，厚度在200 μ m,其種類包括聚氧乙烯及其衍生物體系的聚合物電解質(zhì)、LiPON薄膜電解質(zhì)以及玻璃態(tài)硫化物體系的無機(jī)電解質(zhì)，烘干后將電極與金屬鋰片上涂覆了電解質(zhì)的一面緊密壓合在一起，金屬鋰的金屬鋰片的厚度為500 μ m。
[0030]2)電池的連線和封裝:
在惰性氣氛的手套箱中，將制作好的鋰離子電池11放置于封裝盒中央凹槽7內(nèi)，供觀測的正極一側(cè)向上、鋰片向下放置。電池的引線接入封裝盒的內(nèi)部接10，連接盒蓋上的單向閥8和抽氣裝置，用力關(guān)閉盒蓋，抽氣至盒蓋不再被彈簧6彈開。
[0031]3)電池充放電過程的觀測和分析:
固定封裝盒于掃描電鏡內(nèi)帶有夾具的樣品臺上，將掃描電子顯微鏡觀測室的內(nèi)設(shè)導(dǎo)線插入封裝盒的外部插口 9，在把與內(nèi)設(shè)導(dǎo)線相連的外部導(dǎo)線連接到外部的電化學(xué)測試儀器。關(guān)閉掃描電鏡觀測室，分別開啟控制掃描電子顯微鏡的計算機(jī)和鋰離子電池體系電化學(xué)性能測試儀器的軟件，對觀測室進(jìn)行抽氣過程中，隨著氣壓的下降，封裝盒的盒蓋在彈簧作用下自行彈開。設(shè)定和運(yùn)行電池的充放電等過程，對電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行同步觀測和分析。
【權(quán)利要求】
1.一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是包括以下步驟:1)鋰離子電池的制備:負(fù)極是金屬鋰、觀察對象為正極、電解質(zhì)是固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)電膠作為正極集流體； 2)鋰離子電池的連線和封裝:是在封裝盒中進(jìn)行連線，封裝和轉(zhuǎn)移； 3)電池充放電過程的觀測和分析:是把封裝盒固定于掃描電鏡內(nèi)的樣品臺上，所述樣品臺上的帶有金屬夾具，掃描電子顯微鏡電鏡的觀測室上設(shè)有與外部電化學(xué)測試儀器相連的導(dǎo)線，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)接頭與封裝盒側(cè)壁上的外部接口連接，控制掃描電子顯微鏡的計算機(jī)同時安裝有控制鋰離子電池體系電化學(xué)性能測試儀器的軟件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是步驟I)所述鋰離子電池包括鋰離子電池電極材料，金屬線，金屬鋰片，電解質(zhì)，集流體和引線，所述的集流體是將金屬線焊接成金屬網(wǎng)，在金屬網(wǎng)的一面疊加一層導(dǎo)電膠，集流體作為正極集流體，帶有引線的金屬鋰片作為負(fù)極，集流體的一側(cè)涂覆活性電極材料，然后分別在電極材料和金屬鋰片的表面涂覆形成固態(tài)電解質(zhì)的漿，烘干后將電極與金屬鋰片上涂覆了電解質(zhì)的一面緊密壓合在一起，即完成鋰離子電池的制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述步驟2)的電池的連線和封裝，具體是指在惰性氣氛的手套箱中連線和封裝鋰離子電池體系，制作好的鋰離子電池放置于封裝盒中央，供觀測的正極一側(cè)向上、鋰片向下放置，盒蓋上設(shè)有單向閥，盒蓋與盒體靠彈簧連接，電池的引線接入封裝盒的內(nèi)部接口，內(nèi)外接口相通，外部接口連接外電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述步驟3)在對電池充放電反應(yīng)進(jìn)行觀測和分析的過程中，通過軟件設(shè)定和改變電池充放電制度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述的鋰離子電池電極材料包括LiFePO2, LiMPO4 (M=Fe, Mn，Co，Ni), Li (MnxNi2_x)O4(O ≤ X ≤ 2), Li (NixCoyMn1^y) O2 (O ≤ x，y ≤ 1 )，LiFeSO4F, XLi2MnO3.(l_x) LiMO2 (0〈χ〈1,M=Mn、Co、NiXLi2MSiO4(Μ = Mn, Fe, Co),LiMVO4 (M=Ni,Co,Cu),MVO4 (M=Fe, In),Fe2V4O13,Fe4(V2O7) 3.3Η20, LiVOPO4, LiVO2, LiV2O4, LiV3O8, MnO2, V2O5, V6O13, Fe2O3, Fe3O4, MS (M=Cu, Ni),Ag4Hf3S8,聚合物電極材料,碳基材料，Si 基材料，LixM (M=Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, Sb, In, Cd,Zn)，Sn-Fe-C合金材料，金屬基合金材料，金屬基氧化物和相應(yīng)的鹽，過渡金屬氮化物，過渡金屬磷化物，過渡金屬氧化物，正極材料的厚度范圍為廣500 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述的帶有引線的金屬鋰片作為另一極，電解質(zhì)為固態(tài)電解質(zhì)，厚度在100-200μπι，其種類包括聚氧乙烯及其衍生物體系的聚合物電解質(zhì)、LiPON薄膜電解質(zhì)以及玻璃態(tài)硫化物體系的無機(jī)電解質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述金屬鋰的金屬鋰片的厚度為1~500μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述的金屬網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)焊接引線，引線擰成一束，涂覆硅膠粘結(jié)劑。
9.根據(jù)權(quán)利要 求2所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征是所述的導(dǎo)電膠帶有扎孔，扎孔與金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔相通。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種原位同步觀測和分析鋰離子電池電極反應(yīng)的方法，其特征在于步驟2所述制作好的鋰離子電池放置于封裝盒中央，封裝盒中央有放置電池的凹槽，凹槽深度與鋰片厚度相同，盒蓋邊緣有密封墊圈，盒體與密封墊圈相對應(yīng)的位置有凹槽，盒身邊緣有放置密封墊圈的塑料凹槽，鋰片放同置在凹槽內(nèi)。
【文檔編號】G01N23/22GK103926265SQ201410134539
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】王紅強(qiáng), 張曉輝, 陳靜, 李慶余, 黃有國, 范海林, 吳強(qiáng) 申請人:廣西師范大學(xué)