一種用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽的製作方法

2023-04-29 18:28:21

本發明涉及一種用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽，屬於鋰電池評價測試裝置技術領域。

背景技術：

相對於鉛酸電池、鎘鎳電池和金屬氫鎳電池而言，鋰電池具有高的工作電壓，長的循環壽命，較好的功率密度和能量密度，並且環境友好，因此鋰電池已經作為主要的二次電池被廣泛應用。但是，隨著鋰電池的廣泛應用，人們對鋰電池的要求不斷提高，新型電極材料和電解液的研發廣泛開展。一種能夠用於電極材料和電解液電化學性能評價的構成簡單、操作方便電解池成為目前業界的迫切需要。

目前，鋰電池電化學評價方法主要有兩種方法，即cr20系列紐扣型電池和電解液浸沒式三電極電解槽。cr20系列紐扣型電池為兩電極體系，因此只可以進行充放電性能的測試，難於精確控制工作電極的電位，不可以準確地用於循環伏安和阻抗性能測試；電解液浸沒式三電極電解槽一般採用塑料製品的容器，利用電極材料作為工作電極，金屬鋰作為參比電極和對電極，並用橡皮塞封口，由於電極間距離較大，因此電解槽接觸電阻較大，與cr20系列紐扣型電池測試結果存在一定的偏差；並且電解槽的密封性直接影響電化學性能測定的準確性。

本發明所述的用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽可以模擬cr20系列紐扣型電池，降低了電解槽內阻，並在結構中增加了參比電極，從而有效地監測充放電過程中電極結構及電極性能變化，全方位、多角度觀測電化學過程。可以準確、有效地評價鋰電池構成材料的電化學性能變化。

技術實現要素：

本發明主要解決目前廣泛使用的cr20系列紐扣型電池無法進行三電極體系評價的問題和目前廣泛使用的電解液浸沒式三電極簡易電解槽內阻較大和密封的問題，提供一種結構與cr20系列紐扣型電池結構相似、內阻較小且可以同時用於兩電極和三電極測試的電解槽裝置。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：

一種用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽，其特徵在於，包含：工作電極底座、參比電極圓環固定座和對電極頂蓋3個部分；

所述工作電極底座部分由工作電極底座及聚四氟乙烯圓環形薄片組成，工作電極底座與極片接觸，同時利用聚四氟乙烯圓環形薄片將工作電極底座與參比電極圓環固定座隔離；

所述參比電極圓環固定座由金屬片狀圓環、參比電極引線、參比電極引線固定螺絲、參比電極引線固定擋板，以及具有固定參比電極及兼有連接工作電極底座部分和對電極頂蓋部分作用的絕緣高分子圓環筒組成，金屬片狀圓環為片狀導電圓環，與導線焊接，同時利用絕緣高分子圓環筒與工作電極底座和對電極頂蓋部分隔離；

所述對電極頂蓋部分包括對電極接觸圓塊、防滑固定栓、對電極頂蓋和接線柱；

本發明所述的原位鋰電池電化學測試用疊壓式三電極電解槽，在進行電池充放電測試時，將工作電極、對電極與充放電測試儀相連；在進行循環伏安、電化學交流阻抗等測試時，將工作電極、參比電極和對電極與電化學工作站相連接。

在上述技術方案中，工作電極底座的材質為無磁性的奧氏體型不鏽鋼、鋁、銅中的一種，在其壁上設置用於連接接線夾的孔洞。

在上述技術方案中，聚四氟乙烯圓環形薄片的外徑與工作電極底座內徑一致，圓環寬度大於金屬片狀圓環。

在上述技術方案中，所述金屬片狀圓環材質為無磁性的奧氏體型不鏽鋼、鋁、銅等高電導率金屬中的一種，一面設置有助於金屬鋰帶參比電極附著的溝槽（13），外徑和寬度均略小於絕緣高分子圓環筒，且鑲嵌在該絕緣高分子圓環筒底部。

在上述技術方案中，絕緣高分子圓環筒的材質為聚四氟乙烯、聚醚醚酮、亞克力中的一種。

在上述技術方案中，參比電極引線從絕緣高分子圓環筒內部穿過，利用導電引線固定螺絲及引線固定擋板緊固形成參比電極接線柱。

在上述技術方案中，對電極頂蓋部分的總高度大於絕緣高分子圓環筒，依次安裝對電極接觸圓塊、防滑固定栓、對電極頂蓋和接線柱。

在上述技術方案中，對電極頂蓋部分的對電極頂蓋上端設有螺紋孔，用於連接接線柱；下端設有圓柱形內凹槽，通過防滑固定栓與對電極接觸圓塊相連接。

在上述技術方案中，對電極頂蓋部分的對電極接觸圓塊的直徑大於極片。

在上述技術方案中，工作電極底座、參比電極圓環固定座和對電極頂蓋3個部分之間通過螺紋連接、緊固。

一種用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽，具體測試工步包括以下步驟：

a.工作電極的製備

按一定比例稱量活性物質、粘結劑和導電碳黑，利用碾壓、對輥等方法製備極片膜，然後利用衝片機製備直徑為12mm的電極片並將其壓至集流體上，製得工作電極；

b.電化學測量裝置組裝

將製備好的工作電極、含浸電解液用玻璃紙和聚四氟乙烯圓環形薄片分別順序安放在工作電極底座中央和邊緣，疊壓整齊，滴加適量電解液，使其淹沒工作電極和附著在金屬片狀圓環上的環形鋰片，然後將隔膜安放在正對著工作電極的玻璃紙表面，同時在與工作電極相對的位置放置與工作電極大小一致的鋰片，將作為參比電極引線的導線的一端與參比電極金屬圓環通過點焊連接，另一端插入絕緣高分子圓環筒的孔內，並將作為參比電極的環狀鋰帶薄片緊密附著在參比電極圓環具有溝槽的一側，將參比電極固定座圓環筒安裝在工作電極底座上、旋緊螺紋，然後安裝對電極接觸圓塊、防滑固定栓及對電極頂蓋，旋緊螺紋；

c.電化學性能測試

將組裝好的電化學測量裝置疊壓式三電極電解槽的工作電極、參比電極及對電極分別與電化學工作站的相應接線柱相連接，進行三電極體系條件下的電化學測試，如交流阻抗、循環伏安等；將工作電極、對電極分別與充放電測試儀的相應接線柱相連接，進行充放電測試。

本發明的有益效果是：

1、本發明提供的用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽模擬cr20系列紐扣型電池，並在電池結構中添加參比電極，可以有效地同時進行兩電極充放電測試和三電極循環伏安、電化學交流阻抗的測試，有效地監測充放電過程中的電化學過程。

2、本發明提供的用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽，其結構簡單，操作方便，減小活性物質的使用。

3、本發明提供的用於原位鋰電池電化學測試的疊壓式三電極電解槽可以準確、有效地評價活性電極物質的電化學性能，有利於電極活性物質的綜合性能評價。

附圖說明

圖1本發明的結構示意圖；

圖2工作電極底座示意圖，上：俯視圖，下：主視圖；

圖3聚四氟乙烯圓環形薄片示意圖，上：俯視圖，下：主視圖；

圖4參比電極圓環固定座示意圖，左：主視圖，右上：俯視圖，右下：仰視圖；

圖5參比電極片狀導電圓環示意圖，左：主視圖，右：仰視圖；

圖6電極頂蓋部分示意圖，左：主視圖，右：仰視圖。

圖中的附圖標記表示為：

1-工作電極底座、2-聚四氟乙烯圓環形薄片、3-金屬片狀圓環、4-參比電極引線、5-參比電極引線固定螺絲、6-參比電極引線固定擋板、7-絕緣高分子圓環筒、8-對電極接觸圓塊、9-防滑固定栓、10-對電極頂蓋、11-接線柱、12-工作電極接線孔、13-環形金屬鋰帶參比電極附著溝槽。

具體實施例

下面結合具體實施例對本發明做以下詳細說明。

實施例1

a.工作電極的製備

按7:1:2質量比稱量石墨、ptfe乳液和導電碳黑，利用碾壓、對輥等方法製備極片膜，然後利用衝片機製備直徑為12mm的電極片並將其壓至鎳網上，製得石墨工作電極；

b.電化學測量裝置組裝

將製備好的工作電極、含浸電解液用玻璃紙和聚四氟乙烯圓環形薄片分別順序安放在工作電極底座中央和邊緣，疊壓整齊，滴加適量電解液，使其淹沒工作電極和附著在金屬片狀圓環上的環形鋰片，然後將pp/pe多孔隔膜安放在正對著工作電極的玻璃紙表面，同時在與工作電極相對的位置放置與工作電極大小一致的鋰片，將作為參比電極引線的導線的一端與參比電極金屬圓環通過點焊連接，另一端插入絕緣高分子圓環筒的孔內，並將作為參比電極的環狀鋰帶薄片緊密附著在參比電極圓環具有溝槽的一側，將參比電極固定座圓環筒安裝在工作電極底座上、旋緊螺紋，然後安裝對電極接觸圓塊、防滑固定栓及對電極頂蓋，旋緊螺紋；

c.電化學性能測試

將組裝好的電化學測量疊壓式三電極電解槽的工作電極、參比電極及對電極分別與電化學工作站的相應接線柱相連接，進行三電極體系條件下的電化學測試，如交流阻抗、循環伏安等；將工作電極、對電極分別與充放電測試儀的相應接線柱相連接，進行充放電測試。

在上述實施例中所述聚四氟乙烯薄膜還可以替換為聚醚醚酮或其他化學和電化學穩定性良好、耐高溫的高分子膜材料，所述工作電極的集流體還可以採用碳布或金屬網等，所述電極形狀可以為圓形、方形等，這裡不再一一例舉。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明如何應用本發明裝置所作的一項舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之內。