[发明专利]用于电池充放电过程的经改进的X射线衍射原位测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池充放电过程的经改进的X射线衍射原位应力测试装置及使用方法。属于X射线衍射测试领域。 

背景技术

锂离子电池充放电过程中，由于锂离子的嵌入和脱出，导致活性材料颗粒体积的膨胀、收缩和相变等，随之产生相应的内应力，其大小直接影响到电池的安全性和电化学性能。由于内应力无法直接感知，因而以往多为理论模拟的结果，较少定量检测的数据。 

X射线衍射可用于宏观应力的测量，方法有同倾法和侧倾法两种，在条件允许的情况下，一般采用侧倾法。通常情况下，侧倾法选择为ψ扫描方式,即不同ψ法或sin²ψ法，所用公式如下： 

为衍射晶面面间距的应变，σ_ij为i平面上j方向单位面积的力，E、ν分别为材料的杨氏模量和泊松比，ψ是衍射矢量相对于试样表面法线的倾角， 表示试样绕试样表面法线的转动。 

从上式可知，在一些条件确定之后，测定应力的问题就是求直线的斜率M和截距I的问题。通过选择某hkl衍射晶面法线与试样表面法线之间不同夹角ψ，来进行应力测量工作,即多选几个ψ（一般不少于4个）值进行测量，然后用Origin程序作线性拟合，求得直线的斜率和截距，从而计算应力值，这种方法称为sin²ψ法。 

电池充放电反应机理和电池循环使用过程中的衰减机理一直是困扰电池 行业的重要课题。普通的X射线衍射仪未加改进时是无法实现宏观应力的测量的。 

原位XRD是研究电池充放电过程中活性物质行为的有力工具。电池充放电过程中产生的应力可导致活性物质颗粒破碎，降低电池性能。为研究电池在充放电和/或循环过程中电极材料应力变化规律，以从应力角度探索提高电池性能的方法，需对原位XRD测试装置进行改进。本发明试图针对侧倾法提出一种用于电池充放电过程的改进的X射线衍射原位测试装置，以满足电池应力测定的要求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电池充放电过程的经改进的X射线衍射原位测试装置，所述的经改进的装置是一种可用于测量电极材料应力的原位XRD测试装置，所述的装置由两部分构成。 

首先，包括一种用于XRD原位测试的平板电池。它包括一个带有引线的被测电极、一个带有引线的平板辅助电极和一个带有引线的环形辅助电极，被测电极置于两个辅助电极之间并用隔膜隔开，被测电极向上一侧的隔膜开有10×20mm的长方形或φ10圆形孔，环形辅助电极的开孔与之相对。 

第二，包括一种适用于XRD原位测试的样品架，它是由用绝缘体材料加工成的，带有一个圆孔的长方体板及位于圆孔中的圆环及圆板组成，圆板是由平板电池槽、平板电池引线槽以及带有固定孔的用于固定平板电池的盖板组成。使用时，通过转动圆板底部中心的转动轴实现绕试样表面法线的旋转，通过转动与圆环相连的旋转轴能使圆板绕水平轴旋转±90度，以实现应力测定中侧倾法（ψ旋转轴与衍射仪轴垂直）的ψ旋转。 

本发明与已有的专利（CN200610025206.5）的区别特征在于，本发明的改进主要加入了两个转动轴，可在对电池进行原位XRD测试的同时实现电极材料应力的测量。 

①圆环转轴一端直接与圆环相连，另一端通过轴承与长方体板相连，在轴承四周的长方体板面上刻有角度：ψ=-90度～90度，0度即对应圆板与长方体板之间夹角为零。 

②圆板转轴直接与圆板底部中央垂直相连，圆环表面有一圈凸起，直径等于或略大于圆板直径，用于固定圆板，此时圆板可做转动及上下滑动，圆环内径小于圆板直径，XRD测试时圆板下端紧贴圆环表面，圆环凸起外围的环面上刻有角度：

装置优点：可在普通X射线衍射仪上实现电池充放电过程中电极材料的原位应力测量，装置制作简单，操作方便。 

总之，本发明提供一种用于电池充放电过程的经改进的X射线衍射原位（in situ XRD）测试装置及使用方法，其特征在于所述的装置是由样品架、平板电池和保护膜组成。所述样品架由用绝缘体材料加工成的带有一个圆孔的长方体板及位于圆孔中的圆环及圆板组成，圆板是由平板电池槽、平板电池引线槽以及带有固定孔的用于固定平板电池的盖板组成；所述平板电池是由一个带有引线的被测电极、一个带有引线的平板辅助电极和一个带有引线的环形辅助电极组成，被测电极置于两个辅助电极之间并用隔膜隔开。将组装好的平板电池浸泡电解液后，安装在样品架上并用保护膜及盖板密封和固定，连接外电路，即可进行XRD原位应力测试。 

附图说明