專利名稱：一種用于電極充放電過程的x衍射原位測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池充放電過程的X射線衍射原位測試裝置。
背景技術(shù)：
電池充放電反應(yīng)機理和電池循環(huán)使用過程中的衰減機理一直是電池行業(yè)的重要研究課題。為了研究電池在充放電和/或循環(huán)過程中電極材料的行為和微結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以探索提高充放電性能、延長電池使用壽命的方法，本申請發(fā)明人和他人均曾采用過靜態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)的XRD測試技術(shù)作了研究[婁豫皖，楊傳錚，夏保佳等.MH-Ni電池中正極材料β-Ni(OH)2微結(jié)構(gòu)的對比研究.中國科學(xué)E輯，2006，36(5)]。
所謂靜態(tài)法是指充放電前后和/或循環(huán)壽命試驗前后的始態(tài)和終態(tài)樣品的研究。所謂準(zhǔn)動態(tài)法是在充放電和/或循環(huán)試驗的某些階段突然終止后取樣。這兩種方法都需要解剖電池，用超聲振動法從電極上取下活性物質(zhì)，并洗滌至中性后再烘干，最后用粉末X射線衍射儀進行測試研究。顯然，這種靜態(tài)和準(zhǔn)動態(tài)方法帶來諸多問題，例如不可避免的干擾和測試結(jié)果的分散性。
電池充放電過程不僅需要連接外電路，且必須在電池中注入供離子傳輸?shù)碾娊庖?，通常所使用的電解液是具有腐蝕性(堿性、酸性電池電解液)或揮發(fā)性(鋰離子電池用電解液)液體，一般裝置沒有相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，同時密封材料又往往會對被測電極的X射線衍射線產(chǎn)生較大的干擾，改進的辦法就是進行充放電和循環(huán)過程的XRD原位測試。因此XRD原位測試裝置是進行電池充放電的原位測試所必需的。雖然日本理學(xué)(Rigaku)公司有這種專利產(chǎn)品Ulrik Palmqvist，Lars Eriksson，Javier Garcia-Garcia etal.On the misuseof the crystal structure model of the Ni electrode material.Journal of PowerSource 2001，9915-25，不僅價格昂貴(1-2萬美金)，在普通的X射線衍射儀上也無法配合使用。本發(fā)明人試圖通過設(shè)計一種測試電池充放電過程變化的XRD原位測試裝置，以滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于電池充放電過程的X射線衍射原位測試裝置，該裝置是由兩部分構(gòu)成。
首先，本發(fā)明包括一種用于XRD原位測試的平板電池。它包括一個帶有引線的被測電極、一個帶有引線的平板輔助電極及一個帶有引線的環(huán)形輔助電極，被測電極置于平板輔助電極和環(huán)形輔助電極之間，并與輔助電極用隔膜隔開，被測電極向上一側(cè)的隔膜開有13×20mm的長方形或圓形孔，環(huán)形輔助電極的開孔與之相對。
第二，本發(fā)明包括一種適用于XRD原位測試的樣品架，它是由平板電池槽、平板電池引線槽以及帶有四個固定孔的用于固定平板電池的蓋板組成；所述長方體板是采用有機玻璃等絕緣材料加工而成的，一端減薄到一定的厚度，以便調(diào)節(jié)使XRD測試面通過衍射儀中心。中部開槽(長方形、圓形和橢圓形中一種，具體視被測電池形狀而定)，用以安裝XRD原位測試的平板電池，槽長度方向和寬度方向的延伸面留有測試電池的引線槽，這同時也是添加電解液的通道。樣品架的蓋板用來固定平板電池。所述的槽的深度為0.5-1.5mm。
本發(fā)明還提供用于XRD原位測試電池用的保護膜。該保護膜用來密封整個平板電池，因此要求保護膜對被測物質(zhì)的XRD圖像無明顯干擾，即保護膜的X射線衍射峰與被測材料的X射線衍射峰能清楚地分開，它可以是具備上述特征的厚度不超過0.2mm的任何有機或無機材料。
XRD原位測試的平板電池、樣品架與保護膜的組裝采用以下方式，安裝時，首先將平板電池放置于XRD原位測試的樣品架的平板電池槽內(nèi)上，開孔朝外，再將保護膜覆蓋在整個被測平板電池上，最后用蓋板密封和固定。被測平板電池、保護膜與樣品架間需通過環(huán)氧樹脂等材料密封，也可用密封圈等機械密封的方式以防止電解液的泄漏或揮發(fā)。
本發(fā)明測試的平板電池，可以是鎳電極、貯氫合金電極、鎘電極、鋰離子正極等任何一種一次或二次電池的正負極。


圖1(a)、(b)分別是適用于垂直或水平掃描的X射線衍射儀和XRD原位測試樣品架，結(jié)構(gòu)基本上相似，僅電極引線位置不同；圖1(c)、(d)分別帶有孔及圓形凹槽的蓋板，要求厚度盡可能薄，但必須有一定的剛度。
圖2為XRD原位測試平板電池的結(jié)構(gòu)。
(a)被測電極(b)環(huán)形輔助電極(c)輔助電極(d)一面開孔的隔膜(e)平板電池與樣品架組合結(jié)構(gòu)示意3(a)為氫氧化鎳電極的原位XRD測試的平板電池與配套樣品架的組裝圖。
(b)為鋰鈷氧電極的原位XRD測試的平板電池與配套樣品架的組裝圖。
圖中1輔助電極引線通道；2被測電極引線通道；3平板電池槽；4用于安裝在XRD儀上的樣品架的插入面；5蓋板開孔；6四個緊固用孔；7密封用圓形凹槽；9被測電極引線；10環(huán)形輔助電極引線；11輔助電極引線12蓋板13環(huán)形輔助電極；14被測電極；15平板輔助電極；16隔膜；17緊固螺母；18保護膜；19平板電池槽；20樣品架。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明，以進一步闡述本發(fā)明實質(zhì)性特點和顯著的進步。
首先用有機玻璃或其他絕緣材料按圖1(a)或(b)制作XRD原位測試的樣品架，它可以反復(fù)多次使用。按圖1(c)制作帶有孔的蓋板，并配備固定用的螺絲螺帽；按圖1(d)制作帶有凹槽的蓋板，用“O”型密封圈緊固防止平板電池膨脹。XRD原位測試樣品架示于圖1中，其a和b分別為用于樣品水平放置的垂直掃描衍射儀和樣品垂直放置的水平掃描衍射儀。其中陰影區(qū)3(長方形、圓形和橢圓形中一種，具體視電池形狀而定)為被測試電池的放置區(qū)，其深度取決于電池總厚度，圖中電極引出線孔的開口1、2與電池放置區(qū)相通，也是循環(huán)壽命試驗時補充電解液的加入口；樣品架下端為插入面4，其厚度磨去0.5-1mm，以便調(diào)節(jié)被測電極板表面高度以處于X射線衍射儀的中心；圖1(c)為通用的蓋板，中央開有測試孔5，寬度大于所用X射線焦點的長度(DHLS)3-4mm。蓋板上的四個小孔6用于緊固電池和樣品架，也可采用圓形凹槽7中放置“O”形密封圈的密封方式。
平板電池由三塊電極板和將它們分割開的隔膜(或隔膜袋)組成(見圖2)帶有引線9的被測電極14、帶有引線10的環(huán)形輔助電極13、帶有引線11的輔助電極15、隔膜(袋)16。為方便操作，可將環(huán)形輔助電極13的引線10與輔助電極15的引線11點焊在一起。測試電極用兩片隔膜包住或裝在隔膜袋中，袋的外層隔膜中央，開有X射線入射的窗口，其寬度大于所用X射線線焦點長度3-4mm，長度為20mm(與所用X射線衍射樣品架上平板電池槽的長度一致)。
浸過電解液的被測電池放入樣品架的平板電池槽3內(nèi)(見圖2，(e))，表面覆蓋保護膜18和蓋板12，可采用機械密封或膠封的方法將蓋板、保護膜18與被測電池及樣品架密封，組裝過程中蓋板開孔與平板電池被測電極位置必須相互對應(yīng)。
實施例1按圖2制作待測的氫氧化鎳極板(鎳氫電池正極)、貯氫合金負極(輔助極板)、隔膜袋。然后按以下步驟組裝XRD原位測試電池。
a)把兩輔助極板的引線點焊在一起；b)被測電極板裝入隔膜袋中，隔膜袋朝外的一側(cè)開有長方形孔；c)將裝有被測極板的隔膜袋放入兩配對電極之間，并把隔膜袋上的測試孔與輔助配對電極的開孔相對應(yīng)，隔膜袋的開孔略大于輔助配對電極板的開孔，以免電池短路。
d)將上述組裝好的平板電池19浸泡電解液，再置于XRD原位測試樣品架上，表面覆蓋保護膜18，保護膜18與樣品架20間用環(huán)氧樹脂等密封膠粘結(jié)密封，平板電池的兩處引線也采用同樣的密封方式，使平板電池處于密封體系，最后加上蓋板12并用緊固螺母17固定防止平板電池19膨脹。
實施例2按圖2制作待測的鋰鈷氧極板(鋰離子電池正極)、碳負極(輔助極板)、隔膜。然后按以下步驟組裝XRD原位測試電池。
a)兩輔助極板的引線點焊在一起；b)可用兩片隔膜包住被測電極，朝外的隔膜中開有橢圓形孔；c)將包有隔膜的被測極板放入兩輔助電極之間，并把隔膜上的測試孔與輔助電極的開孔相對應(yīng)，隔膜的開孔略大于輔助電極板的開孔，以免電池短路。
d)將上述組裝好的平板電池19浸泡電解液，再置于XRD原位測試樣品架上，表面覆蓋保護膜18，保護膜18與樣品架20間用環(huán)氧樹脂等密封膠粘結(jié)密封，平板電池19的兩處引線也采用同樣的密封方式，使平板電池19處于一密封體系，最后加上蓋板并用“O”型密封圈固定，防止平板電池19膨脹。
e)以上操作在氬氣保護下進行。
f)連接線路，進行原位XRD測試。
本發(fā)明不限于上述實施例，對本發(fā)明的任何等同替換都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征由樣品架和平板電池組成；所述的樣品架為用絕緣材料加工成的長方體板，它是由平板電池槽、平板電池引線槽以及帶有固定孔的用于固定平板電池的蓋板組成；所述的平板電池是由一個帶有引線的被測電極、一個帶有引線的平板輔助電極和一個帶有引線的環(huán)形輔助電極組成，被測電極置于兩個輔助電極之間并用保護隔膜隔開。
2.按權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于所述的長方體板中部開槽，所開的槽為長方形、圓形和橢圓形中一種，具體視被測電池形狀而定，為被測電池的放置區(qū)，其深度為0.5-1.5mm。
3.按權(quán)利要求2所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于所述槽的長度方向和寬度方向的延伸面留有測試電池的引線槽。
4.按權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于被測電極向上一側(cè)的保護隔膜開有長方形、圓孔形或橢圓形孔，環(huán)形輔助電極的開孔與之相對。
5.按權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于所述保護隔膜對被測物質(zhì)的X衍射圖像無明顯干擾，其厚度小于0.2mm的有機或無機材料。
6.按權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于所述的蓋板帶有凹槽，且用“O”型密封圈緊固。
7.按權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置，其特征在于樣品架下端為插入面，其厚度磨去0.5-1mm。
8.使用如權(quán)利要求1所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置的方法，其特征在于安裝時，首先將平板電池放置于原位XRD測試的樣品架上，開孔朝外，再將保護膜覆蓋在整個被測平板電池上，最后用蓋板密封和固定。
9.按權(quán)利要求8所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置的使用方法，電極、貯氫合金電極、鎘電極和鋰離子電池正極中任何一種一次或二次電池的正極或負極。
10.按權(quán)利要求8所述的用于電極充放電過程的X衍射原位測試裝置的使用方法，其特征在于被測平板電池、保護膜與樣品架之間用環(huán)氧樹脂材料密封，或用密封圈機械密封的方式，以防止電解液的泄漏或揮發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電池充放電過程的X射線衍射原位(in－situ XRD)測試裝置及其使用方法，其特征在于它是由XRD原位測試樣品架和平板電池組成。XRD原位測試樣品架為用絕緣材料加工的長方體板，它由平板電池槽、平板電池引線槽及帶有四個固定孔的用于固定平板電池的蓋板。所述的平板電池是由被測電極、輔助電極和環(huán)形輔助電極組成，被測電極置于兩個輔助電極之間并用隔膜隔開。將組裝好的平板電池浸泡電解液后，安裝在XRD原位測試樣品架上并用保護膜及蓋板密封和固定，連接外電路，即可進行XRD原位測試。
文檔編號G01R31/36GK1844947SQ20061002520
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者婁豫皖, 楊傳錚, 張建, 夏保佳 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所