[发明专利]快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法

说明书

本发明涉及一种快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法，属于能源电池领域。本发明采用机械方法直接获得层状电极材料层间嵌离子结构，在机械控制层间距离的同时，利用轴线相互垂直两个圆柱面间形成的具有高空间分辨率的多光束干涉条纹测量层间距的变化，结合已知弹性模量的弹簧计算出其相互作用力，获得高空间分辨率的层间距——层间相互作用力曲线。此外，还可以同时测量多个层间嵌离子结构叠加后的整体层间距——层间相互作用力曲线。这种方法避免了传统电化学方法制备层状电极材料层间嵌离子结构的复杂流程，可以同时测量层状电极材料层间嵌离子结构的层间距及层间相互作用力，精度高，简单直接易操作，可移植性高。

技术领域

本发明涉及一种快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法，属于能源电池领域。

背景技术

随着社会的不断发展，电池为人们的日常生活提供了很大的便利，在便携移动设备、电动汽车、电动飞机等领域有广泛的应用。但是随着便携设备的不断发展，以及电动汽车和电动飞机等高功率设备的应用，都对电池的能量密度和倍率性能提出了越来越高的要求。

层状电极材料作为经典的嵌入式电极，通过在其层间嵌入离子的方式实现能量的储存，在离子嵌入过程中层状电极材料的层被撑开，引起层状电极材料层间的膨胀变形，在层间形成一个相互作用力。层状电极材料嵌离子变形引起的相互作用力反过来又限制了后续离子进一步的嵌入，形成了力学与电化学的耦合作用。这种耦合作用不仅影响电极材料的充放电速率，还会导致层状电极机械损坏，大大降低电池的寿命。因此，亟需测量层状电极材料层间嵌离子结构的层间距——层间相互作用力关系，消除这种耦合作用给电池带来的负面影响。

目前，能够测量层状电极材料层间嵌离子结构层间距——层间相互作用力关系的技术为AFM。利用AFM测量，需要用复杂的电化学制样方法制备层间嵌离子结构，对实验技术要求很高，费时费力。测量时，利用AFM针尖对样品进行局部的点状压力测量。点状测量方法测量速度慢，也难以代表层间嵌离子结构中层与层之间的面面相互作用。AFM在距离上的测量精度只达到1埃米，无法捕捉比其更小尺度的层间距变化。因此，需要发展能够快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决层状电极材料力学/电化学耦合作用导致的层状结构机械损坏的问题，提供一种快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法；本发明采用机械方法直接获得层状电极材料层间嵌离子结构，在机械控制层间距离的同时，利用轴线相互垂直两个圆柱面间形成的具有高空间分辨率的多光束干涉条纹测量层间距的变化，结合已知弹性模量的弹簧计算出其相互作用力，获得高空间分辨率的层间距——层间相互作用力曲线。此外，还可以同时测量多个层间嵌离子结构叠加后的整体层间距——层间相互作用力曲线。这种方法避免了传统电化学方法制备层状电极材料层间嵌离子结构的复杂流程，可以同时测量层状电极材料层间嵌离子结构的层间距及层间相互作用力，精度高，简单直接易操作，可移植性高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

1、快速定量化测量层状电极材料层间离子相互作用力的方法，其特征在于：

步骤一、在轴线相互垂直的透明材质圆柱表面上分别安装层状电极材料薄膜；所述层状电极材料薄膜与圆柱之间布置半透明金属层；在两圆柱表面之间添加电解液，使得层状电极材料薄膜一直置于电解液中；

步骤二、移动两圆柱相互靠近，当层状电极材料薄膜的相互作用力出现震荡之后；开始精细控制，并记录不同时刻的等色阶条纹，通过对比干涉条纹的移动量计算两表面之间的绝对距离，并通过绝对距离的变化，结合已知的弹簧刚度计算这两个表面的相互作用力；

两个表面直接的绝对距离计算公式为：