一种多功能X射线衍射仪原位电池反应室及应用的制作方法

本发明属于电池的原位xrd测试技术领域，具体涉及一种多功能x射线衍射仪原位电池反应室及应用。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

可充电电池作为一种有效的电化学能源存储器件越来越受到科研工作者的重视，电极材料作为可充电电池的重要组成部分，在电池的充放电过程中发挥了至关重要的作用。在电池的充放电过程中，电极材料的微观结构会不断发生变化，例如晶格常数的改变、物相的变化等，将这些内部微观结构的变化和反应条件实时对应起来，有利于理解电池反应过程中的电极过程、催化机理以及界面反应等。原位xrd可以监测到在电池的充放电过程中电极材料的衍射图谱随着电极反应进行的实时变化，由此可以推断出电极反应过程中的产物以及物相的变化，有利于揭示电池充放电反应的机理，设计开发高性能的电极材料。

在进行电池的原位xrd测试时，电池的反应室是一种决定测试结果的重要组件，其设计和组装也是困扰人们的一项难题。近年来，国内外已有一些对于原位xrd反应池的研究，并有些已经商品化。国外的已有设计中，多数价格昂贵，操作复杂，例如日本理学；国内的商品化的反应池除了多数使用铍窗容易引起环境污染外，多数都存在功能单一或电极材料和集流体接触不良问题，难以实现真正意义上的不同气氛下的原位xrd测试。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种多功能x射线衍射仪原位电池反应室及应用。本发明提供的是一种设计简单、使用方便、可以测试在不同气体氛围下使用的多功能原位xrd电池反应池。该原位反应池不仅可以用于两电极体系，也可用于三电极体系。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种多功能x射线衍射仪原位电池反应室，包括：

负极底座，中部开设圆型底座通槽，底座通槽相较于底座的外围部分形成向下的圆环型凸起。

负极，为具有外螺纹的柱体结构，上端伸入底座通槽内，与底座通槽连接。该柱体有两个贯通上下的开孔，上端有蚊香结构的环形突起。

正极底座，扣合在负极底座的上端面，正极底座的中部设置开口，开口与负极相对，正极底座的顶部设置两端开口的凹槽，凹槽由开口分别向两侧延伸至正极底座的边缘形成，凹槽的宽度与圆形开口的宽度相同。

基座，中部开设基座通槽，基座通槽相较于基座的外围部分，形成向上的圆环型凸起。中间环形突起的环壁上有孔，孔贯通环的内外径。

本发明的原位电池反应室，解决了现有的原位电池反应室功能单一、集流体固定、测试的电池种类单一的问题。本发明的原位电池反应室不使用产生剧毒的铍窗，可实现不同种类电池的小角度原位xrd测试。

第二方面，上述原位电池反应室在原位电池的xrd检测中的应用，可以确定电池在充放电过程中电极材料的晶体类型和参数变化。

本发明的有益效果：

本发明的设计解决了现有的电池原位xrd检测使用铍窗，给操作者带来较大的危险性的问题。正极底座上创新设计了一种凹槽的结构，配合中间的开口，xrd射线可以沿着凹槽入射和出射，实现低角度xrd的检测；

本发明设计了一种可以在不同气体气氛下使用的多功能原位xrd电池反应室，本发明中负极、负极底座和正极底座之间形成的腔室，可以直接通过负极上两个贯通孔通入气体和输出气体，可以随时方便切换不同的气体，实现不同气体氛围下电池的原位xrd检测，检测范围更加的广泛，应用范围较广；

本发明的反应室通过调整负极的位置，可以方便的调节电池反应室的空间而不会引起电极材料和集流体接触不良的问题，提高了检测的准确性和稳定性；

该原位xrd电池反应室可以用于多种电池的两电极体系测试。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的原位电池反应室的整体结构图；图1a为整体结构侧视剖视图，图1b为俯视图；

图2为本发明的原位电池反应室的基座的结构图；图2a为侧视图；图2b为俯视图；

图3为本发明的原位电池反应室的负极底座的结构图，图3a为侧视图；图3b为俯视图；

图4为本发明的原位电池反应室的负极的结构图，图4a为侧视图，图4b为蚊香盘结构面的俯视图；

图5为本发明的原位电池反应室的正极底座的结构图，图5a为俯视图；图5b为侧视图；

图6为本发明的原位电池反应室的螺丝的结构图；

图7为本发明的原位电池反应室的固定螺栓的结构图，图7a为侧视图，图7b为俯视图；

其中，1、负极底座，2、负极，3、正极底座，4、开口，5、凹槽，6、基座，7、底座通槽，8、基座通槽，9、贯通孔，10、螺丝，11、蚊香盘结构，12、流动通道，13、卡槽，14、固定螺栓，15、导线，16、弹性垫圈。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现有的原位电池存在的问题：1.现有的原位电池利用弹簧挤压电极片，使得正负极接触。然而，由于不同类型弹簧系数不同，且可能因为弹性疲劳而造成施加在正负极之间的力不够，造成电极材料与集流体间接触不良的问题。如果施加在弹簧上的力太大，则会把集流体压破。2.现有原位电池多利用铍窗进行原位电池进行xrd测试，虽然铍窗具有x射线透过率高，衍射信号强的特点，但是铍窗在处理过程中容易产生剧毒，而且铍窗只能应用在锂电池中。目前使用的聚酰亚胺膜(kapton膜)窗口，由于聚酰亚胺膜(kapton膜)的背景信号强，容易掩盖样品峰，造成干扰。

如图1a所示，本发明的结构包括正极底座3、负极底座1和负极2，本发明的反应室可以实现不使用铍窗的xrd检测，本发明的反应室中集流体可以灵活更换，不用必须使用铍窗，而且能够达到较好的低角度xrd测量，具体分析如下：

如图1b和图5a和图5b所示，本发明相比于现有技术在正极底座上设置了凹槽5，凹槽5由中间的开口4向两侧延伸形成，开口4为窗口，是x射线的入射口。凹槽5位于正极底座3的开口的两侧，xrd射线从凹槽5的两侧沿着凹槽5入射或出射，通过窗口进入内部进行测试，凹槽5的方向也是x射线的出射方向，凹槽5的底部较薄，能够保证x射线能够以足够低的角度入射和出射，这样即使不使用铍窗作为集流体，同样实现了低角度x射线的入射和出射。

本发明中通过开口的设计可以实现多种类型窗口材料的方便更换和低角度测试。可以满足锂离子电池、锌离子电池和不同金属-空气电池的测试需求。

本发明的具体实现结构如下：

在本发明的一些实施方式中，开口4的横截面积小于底座通槽7的横截面积，正极底座3中间的开口4可以为圆形或方形等形状。开口为x射线入射和出射窗口，窗口的形状可以进行改变，满足入射和出射的要求即可。开口的横截面积小于底座通槽的横截面积，实现xrd射线小窗口检测。

在本发明的一些实施方式中，正极底座3为板体结构，凹槽5的底部的厚度为0.8-1.2毫米。

本发明的正极底座的厚度较薄，配合中间的开口，可以实现xrd射线的低角度入射和出射。

在本发明的一些实施方式中，原位电池反应室包括基座6，基座6中部设置基座通槽8，基座通槽8相较于基座的外围部分，形成向上的圆环型凸起，负极底座1的底座通槽一端伸入基座通槽8。

如图2a和2b所示，基座用6于原位电池反应室与检测平台进行连接，同时基座6与负极底座1连接，起到固定负极底座1的作用，能够使整个原位电池反应室固定在检测平台上进行检测。

在本发明的一些实施方式中，基座通槽8的内径略大于负极底座通槽7的外径，负极底座通槽7通过套入基座通槽8连接，基座6的基座通槽8底部开口的直径小于基座通槽的内径。

如图1所示，基座6用来将原位xrd电池附件连接到x射线衍射仪上。基座通槽8相比于外围部分形成向上的圆环型凸起，从而可以卡住电池的负极底座通槽7。基座通槽8为上下开口的结构，基座通槽8的内径大于负极底座通槽7的外径，负极底座通槽7通过套入基座通槽8相连接，这样便实现了整个反应室的固定。

负极2与底座通槽7螺纹配合连接；当调节负极2螺纹柱的上下位置时，正极底座和负极2螺纹柱之间的距离改变，提供了可变的电池反应室空间。本发明利用螺纹结构，可以方便直接调节电池反应室空间大小，又能保证其正常的紧密接触实现优异的导电性能。此外，可以根据不同的电极体系和电极材料，方便快捷的调控空间距离，满足不同电池体系的测试需求。解决了现有的利用弹簧挤压电极片的连接方式的接触不良的问题。

在本发明的一些实施方式中，反应室包括螺丝10，基座6的基座通槽8的侧壁设置通孔，通孔的中心轴与通槽的中心轴垂直，螺丝10与通孔连接。

如图1a和图2a和图6所示，足够长的螺丝10可通过该孔将负极导线15连接到位于中央的原位电池的负极2。负极2在基座通槽8和底座通槽7之间形成的空间内进行上下移动，通过在侧壁处设置一个通孔，可以方便负极导线15和负极的连接，提高了负极导线15连接的稳定性，负极导线15通过螺丝10和基座6连接，基座6固定在样品台上，所以负极导线15的位置实现了固定，避免了负极导线15连接的不稳定性。螺丝10与负极导线15之间设置弹性垫圈16。

在本发明的一些实施方式中，负极2设置两个竖向的贯通孔9，贯通孔9的中心轴平行于基座通槽8的中心轴。

如图4a和4b所示，贯通孔9，这里可以理解的是，在纵向上贯穿负极2。贯通孔9的作用是1)可以引入惰性气体，惰性气体起到扰动腔内电解液的作用，使之均匀，并可以起到散热的作用，保持腔内的温度均一；同时，利用惰性气氛保护电极材料和电解液的稳定性，防止氧气等的干扰；2)可通入空气、氧气或二氧化碳等不同活性气体，这些气体作为电极反应物，可以满足金属-空气电池的反应需求，从而以不同反应气体构建金属-气体电池进行能源的存储与转化研究；3)该孔可以分别作为电池内电解液的入口和出口，使得电池内部的电解液为流动电解液。

优选的，两个贯通孔9为变径结构，贯通孔9为变径筒状结构，一端的直径大于另一端的直径，靠近正极底座的一端为小径端。

基于上述结构，可以知道贯通孔9用于通入气体或电解液，这里的设置可以方便与电解液输送管或气体输送管连接或者大径端可以实现气体的缓冲在进入负极上方时，调节气体的速度。

在本发明的一些实施方式中，负极2的一个端面上设置凸起的蚊香盘结构11，蚊香盘结构11位于远离基座6的一个端面，蚊香盘结构11的中心位置为凸起的结构，最外围为凸起的结构。

负极2的这个端面位于与正极底座3相对的一个端面，相当于电解腔的空间内，电解液流动的空间内，电池的隔膜位于这个空间内，凸起的蚊香盘结构11，能够为电解液和电极之间留有足够空隙，防止电池内部隔膜堵塞电池负极上的两个孔。负极贯通孔通入的电解液和气体经过蚊香盘结构，增加电解液和气体的流动性，使得腔内的电解液保持均一状态。

在本发明的一些实施方式中，蚊香盘结构11位于负极2的两个贯通孔9之间的位置，其中一个贯通孔9与蚊香盘结构11的中心位置的凸起通过流动通道12连通，使中心位置的凸起形成弧形结构。

蚊香盘结构11的中心位置的凸起与一个贯通孔9连通，这样电解液进入后通过流动通道12先进入蚊香盘结构11的中心凸起，然后沿着蚊香盘结构11的中心向外围扩展和流动，避免引起电解液的扰动。

在本发明的一些实施方式中，负极底座1上设置卡槽13，卡槽13内设置密封圈，卡槽13位于底座通槽7的外围与正极底座3相对的一端上。

如图3a和图3b环形卡槽的设置，可以在卡槽内设置密封圈，密封圈可以为橡胶密封圈。卡槽的形状可以为圆环形或o型或者为若干段弧形组成的结构。

在本发明的一些实施方式中，正极底座3的圆形开口的外围设置螺纹孔，负极底座上设置对应的螺纹孔，正极底座3和负极底座1通过螺纹孔连接。通过螺纹孔使正极底座和负极底座上下扣接在一起，与集流体连接稳定后形成一个稳定的反应室。

在本发明的一些实施方式中，基座6的基座通槽8的外围设置基座螺纹孔。基座螺纹孔用于与检测平台连接。

在本发明的一些实施方式中，所述反应室包括固定螺栓14，固定螺栓14的螺帽为二级阶梯圆环型的结构，固定螺栓14与基座螺纹孔螺纹连接。如图7a和图7b所示。

本发明的原位电池反应室可以用于不同电池和不同集流体的检测，电池的种类为金属离子电池、金属-空气电池和金属-碘电池；优选金属为锂、钠、钾、锌等。集流体可以为铝箔、铜箔、镍网、碳布等。本发明不限制电池的种类和集流体的种类。

本发明的原位电池的尺寸可以根据实际的负极及其它部件的尺寸进行调整，在其中一种情况下，两个相对的基座螺纹孔的中心之间的距离为55-60mm。基座通槽底部开口的直径为15-20mm。负极底座与正极底座相对的一端的直径大小为45-50mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。