一种电极材料应变测量方法及装置

1.本发明涉及一种电极材料测量领域，尤其是涉及一种电极材料应变测量方法及装置。


背景技术：

2.锂离子电池在在手机，电脑等便捷式携带设备中得到广泛的应用，并且在新能源汽车，国家电网等众多领域也逐渐崭露头角。然而锂电池不可回避的一个问题是电池的失效。在充放电循环中，电极会经历较大的体积变化，锂离子反复的从活性颗粒中嵌入/脱出，颗粒经历反复的膨胀/收缩后，会产生破裂，与其他组分失去电接触等问题，并且由此产生的应力应变会导致电极结构的破坏，进而产生分层，开裂，粉化等一系列失效行为。
3.巨大的应力和体积变形是导致电池失效的重要原因，因此有必要研究电极的应变场，对电池的失效机理做更深刻的探究。但电池作为一个封闭狭小的工作环境，使得应变测试较为困难。而数字图像相关技术(digital image correlation，dic)的非接触无损监测的特点，能够对工件表面的变形进行实时监测，使得无损监测电极应变成为一种可能。锂离子电池在适宜的温度下可以工作的很好，循环寿命很长，在过高和过低的温度中，容量迅速降低，使用寿命大幅度衰减，难以满足需求，这说明温度变化对电池电极的失效行为有重要影响。
4.发明人在长期实践过程中，发现该领域存在以下问题：
5.现有的对电池电极进行应变测试时，并不考虑其温度的影响，也未有先前技术人员做过不同温度下电池电极参数的应变测试。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服相关技术中不能进行不同温度下电池电极应变测试的技术问题，提供一种电极材料应变测量方法及装置。
7.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
8.第一方面，提供一种电极材料应变测量方法，所述方法包括如下步骤：
9.光源发出光线至所述电池的电极上，所述待测电池的电极表面预先被溅射金膜，所述金膜厚度为9
‑
11nm，所述金膜被溅射速度为0.2nm/s，所述待测量电池与所述光源被设置在所述恒温箱内，且所述待测量电池及所述光源均与所述恒温箱内壁不接触，所述光源中部具有一漏光孔；
10.ccd相机采集通过所述漏光孔进入相机镜筒的光，拍摄所述电池电极表面的散斑图像；
11.处理装置对所述ccd相机的拍摄图像进行处理，以获取所述待测量电池的电极应变参数。
12.基于同样的发明构思，第二方面，提供一种电极材料应变测量装置，所述装置包括：
13.恒温箱，所述恒温箱具有：
14.容置空间，设置在所述恒温箱内；
15.开口，设置在所述恒温箱侧壁，连接所述容置空间与外部空间；
16.支撑件，所述支撑件第一端设置在所述恒温箱内，另一端伸出所述恒温箱外与固定物连接，且所述支撑件与所述恒温箱不接触，用于待测量电池设置在所述支撑件上，且所述待测量电池位于所述容置空间内，不与所述恒温箱接触；
17.光源，设置在所述支撑件上；
18.ccd相机，用于拍摄所述待测量电池的电极表面散斑图像；
19.其中，所述光源发射光线至所述待测量电池的电极表面，所述恒温箱调节所述电极温度，所述ccd相机拍摄待测量电池的电极散斑图像。
20.基于同样的发明构思，第三方面，提供一种电极材料应变测量方法，使用上述所述的装置，该方法包括：
21.将电池固定在恒温箱中的支撑件上，打开恒温箱，设置需要的温度，在该温度下保持三个小时，使得电池的温度到达需要的温度，然后拍摄一张照片作为参考基准；
22.用电池测试仪对电池进行充放电实验，使得锂离子在电极中嵌入或脱出；
23.电极嵌脱锂期间，控制ccd相机和图像采集电脑自动采集照片的时间间隔，采集电极表面散斑图像；
24.把采集到的照片进行处理，得到变形位移和应变数据，在采集到的图像中选取一个区域，对选取的区域进行相关性分析，得到充放电期间的位移场和应变场。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本实施例实施时，在电极表面溅射了金膜形成了稳定存在且随机分布的散斑图案，可在电化学环境中稳定存在，使电极应变过程中产生的稳定的散斑图案，进而被ccd相机接收，产生稳定的图像数据，进而得到稳定的电极应变数据；由于通过将待测量电池与光源设置在恒温箱内进行测量，并且测量电极及光源与恒温箱不接触，通过恒温箱调整电池电极所处的环境温度，保证了对电池在不同温度下的电极应变的测量的同时，避免了恒温箱震动对测试时拍摄照片以及后期处理数据的影响。光源与电极都可以保持稳定，使测试结果具有重复性，保证结果的稳定。
附图说明
27.图1为本发明提供的一种方法实施例实施视图；
28.图2为本发明提供的一种装置实施例实施整体视图；
29.图3为本发明提供的支撑件立体视图；
30.图4为本发明提供的第一连接件立体视图；
31.图5为本发明提供的第二连接件立体视图；
32.图6为本发明提供的实施例测试得到的电极位移云图；
33.图7为本发明提供的实施例测试得到的电极应变云图；
34.图8为本发明实施例测试得到的电极不同温度下的平均面内应变时间图；
具体实施方式
35.请参阅图1
‑
8所示，本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“上”、“下”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
36.需要说明的是，巨大的应力和体积变形是导致电池失效的重要原因，因此有必要研究电极的应变场，对电池的失效机理做更深刻的探究。但电池作为一个封闭狭小的工作环境，使得应变测试较为困难。而数字图像相关技术(digital image correlation，dic)的非接触无损监测的特点，能够对工件表面的变形进行实时监测，使得无损监测电极应变成为一种可能。锂离子电池在适宜的温度下可以工作的很好，循环寿命很长，在过高和过低的温度中，容量迅速降低，使用寿命大幅度衰减，难以满足需求，这说明温度变化对电池电极的失效行为有重要影响。现有的对电池电极进行应变测试时，并不考虑其温度的影响，也未有先前技术人员做过不同温度下电池电极参数的应变测试。
37.实施例一
38.基于以上问题，本实施例提供一种电极材料应变测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
39.s101光源发出光线至所述电池的电极上，所述待测电池的电极表面预先被溅射金膜，所述金膜厚度为9
‑
11nm，所述金膜被溅射速度为0.2nm/s，所述待测量电池与所述光源被设置在所述恒温箱内，且所述待测量电池及所述光源均与所述恒温箱内壁不接触，所述光源中部具有一漏光孔；
40.s102ccd相机采集通过所述漏光孔进入相机镜筒的光，拍摄所述电池电极表面的散斑图像；
41.s103处理装置对所述ccd相机的拍摄图像进行处理，以获取所述待测量电池的电极应变参数。
42.本实施例实施时，通过光源发出光线照射至待测量电池的电极上，电极在镀金膜的情况下，电池电极反射光线，通过光源中部的漏光孔进入ccd相机，ccd相机拍摄照片，处理装置对照片进行处理分析，进而获得电极的应变数据。
43.本实施例实施时，由于通过将待测量电池与光源设置在恒温箱内进行测量，并且测量电极与光源与恒温箱不接触，通过恒温箱调整电池电极所处的环境温度，保证了对电池在不同温度下的电极应变的测量的同时，避免了恒温箱震动对测试时拍摄照片以及后期处理数据的影响。光源与电极都可以保持稳定，使测试结果具有重复性，保证结果的稳定，并且由于电极表面溅射了金膜形成了稳定存在且随机分布的散斑图案，可在电化学环境中稳定存在，使电极应变过程中产生的稳定的散斑图案，进而被ccd相机接收，产生稳定的图像数据，进而得到稳定的电极应变数据。
44.需要说明的是，待测量电池是指需要测量的电池，电池由待测电极，电解液，电池壳体等组成，电池壳体与电极相对的一侧设置透明观察窗口，观察窗口可以采用石英玻璃，用于电池测量过程中，通过观察窗口进入光线与射出光线，同时在测量过程中电池的充放电在壳体的密闭空间内，隔绝空气中的水氧等，进一步对电极进行应变测试时，使电池处在恒温箱中的不同温度下，进行不同参数的充放电，进而对不同温度下及不同参数下的电极
进行应变测试；测量时电极固定在电池中，进而对电极进行测量，待测量电池及光源与恒温箱内壁不接触是指电极及光源不与恒温箱内壁直接接触或者通过连接件接触，进而保证光源与电极不被恒温箱的震动所影响，处理装置可以采用电脑，此为现有技术，例如可以采用图像处理软件采用matlab，使用开源的函数库digital image correlation and tracking对拍摄的照片进行相关性处理，但不限于这种现有技术进行处理。
45.由于目前采用的电极表面不存在散斑图案，无法直接进行应变测试。通过在电极表面预先溅射金膜，可以提高电极的反光性能，由于金膜厚度仅在9nm
‑
11nm，并不会破坏电极本身的粗糙度，使覆盖金膜后电极的粗糙度表现在金膜上，进而显示出效果较好的散斑图案，并且金比较稳定，不易发生反应，形成的散斑可以稳定的存在，增加测量的重复性和准确性。
46.s1011所述光源为圆环形光源。
47.圆环形光源可以对电极表面进行均匀的照射，进而使测量效果好，电极反射光斑较为稳定，且便于ccd相机镜头通过圆环形光源中部的孔对电极的反射图像进行拍摄。
48.s1012所述待测量电池与所述光源被设置在所述恒温箱内，包括：
49.所述恒温箱一侧开口，支撑件第一端与固定物连接，所述支撑件第二端通过所述开口伸入所述恒温箱内，所述光源与所述待测量电池均设置在所述支撑件上，所述支撑件与所述恒温箱不接触。
50.通过支撑件一端与固定物连接，另一端伸入恒温箱内，可以在光源与待测量电池不受恒温箱震动影响的情况下，对光源与待测量电池进行支撑。
51.需要说明的是，固定物指的是不受恒温箱震动影响的物体，可以使不受震动影响的地面，也可以是其它物体，本实施例一般采用的是光学平台。
52.本实施例提供一种电极材料应变测量装置，所述装置包括：
53.恒温箱，所述恒温箱具有：
54.容置空间，设置在所述恒温箱内；
55.开口，设置在所述恒温箱侧壁，连接所述容置空间与外部空间；
56.支撑件，所述支撑件第一端设置在所述恒温箱内，另一端伸出所述恒温箱外与固定物连接，且所述支撑件与所述恒温箱不接触，用于待测量电池设置在所述支撑件上，且待测量电池位于所述容置空间，不与所述恒温箱接触；
57.光源，设置在所述支撑件上，所述；
58.ccd相机，用于拍摄所述电极表面反射的图像；
59.其中，所述光源发射光线之所述电极表面，所述恒温箱调节所述电极温度，所述相机拍摄所述温度下的电极表面散斑图像。
60.本实施例提供一种电极材料应变测量装置，装置包括：
61.恒温箱210，恒温箱210具有：
62.容置空间211，设置在恒温箱210内；
63.开口212，设置在恒温箱210侧壁，连接容置空间211与外部空间；
64.支撑件220，支撑件220第一端设置在恒温箱210内，另一端伸出恒温箱210外与固定物连接，且支撑件220与恒温箱210不接触，用于待测量电池250设置在支撑件220上，且待测量电池250位于容置空间211，不与恒温箱210接触；
65.光源230，设置在支撑件220上；
66.ccd相机240，用于拍摄待测量电池的电极表面散斑图像；
67.其中，光源230发射光线至电极表面，恒温箱210调节待测量电池250温度，ccd相机拍摄待测量电池的电极表面散斑图像。
68.本实施实施时，将待测量的电极放置在支撑件220上，光源230照射待测量电池250的电极上，ccd像机采集电极表面散射的照片，将照片通过电脑290或者专用的处理即可得到电极的应变参数此为现有技术，例如可将照片储存在电脑290上，采用matlab软件，使用开源的函数库digital image correlation and tracking对拍摄的照片进行相关性处理，得到相应的电极应变参数，但不限于这一种现有处理技术。
69.本实施例实施时，由于通过支撑件支撑待测量电池250及光源230，保证了ccd相机采集散斑图像时，电极250及光源230不受恒温箱震动的影响，保证散射图像的稳定性，提高测量效果，不仅保证了电极的恒温测量，而且使电极测量过程中不受恒温箱震动的影响。
70.需要说明的是，ccd相机的位置可以根据需要设置，只要在恒温箱中采集到温度的散斑图像即可，此为本领域的常用技术，在此不作详细描述。
71.在一些实施例中，光源230为环形光源，ccd相机240镜筒设置在环形光源中心轴处；
72.环形光源使电极受光照射更加均匀，ccd相机镜筒设置在光源230中心轴处可以接收到更稳定的光斑。
73.需要说明的是，光源在中心轴处的具体位置，可以根据实际光源大小，光源与电极的位置关系确定，此为本领域的现有技术，在此不作详细描述。
74.在一些实施例中，支撑件220包括：
75.第一连接件221，第一连接件221第一端与固定物连接；
76.第二连接件222，第二连接件222第一端与第一连接件221第二端可拆卸连接，第二连接件222第二端伸入恒温箱210内，用于承载待测量电池250及光源230。
77.通过第一连接件221与第二连接件222可拆卸连接，便于第一连接件221与第二连接件222的安装。
78.在一些实施例中，第一连接件221包括：
79.第一连接孔2211，设置在第一连接件221一端，第一连接孔2211为条形孔；
80.第二连接件222包括：
81.第二连接孔2221，且与第一连接孔2211配合；
82.其中，第一连接件221与第二连接件222通过第一连接孔2211、第二连接孔2221及固定件可调节固定连接。
83.如图3
‑
图4，通过第一连接孔2211与第二连接孔2221可以调节第一连接件221的位置，进而调节光源与电极的位置，便于光源与电极的安装及电极的测量。
84.需要说明的是，固定件可以采用螺栓螺钉等固定件，此为本领域公知常识，在此不作说明。
85.在一些实施例中，第一连接件221包括：
86.第一连接子板2212，第一连接孔2211设置在第一连接子板2212上；
87.第二连接子板2213，第二连接子板2213与第一连接子板2212第一端垂直连接；
88.如图3所示，二段式的第一连接件221的设计，便于第一连接件对光源与电极的调节。
89.在一些实施例中，第二连接件222包括：
90.第三连接子板2222，第二连接孔2221设置在第四连接子2222板上；
91.第四连接子板2223，第四连接子板2223第一端与所述第三连接子板2222垂直连接；
92.第五连接子板2224，与第四连接子板2223第二端垂直连接，且第五连接子板与第三连接子板分别位于第四连接子板两侧。
93.如图3所示，三段式的第二连接件222的设计，便于第二连接件对第一连接件221的调节，进而便于光源与电极的调节。
94.在一些实施例中，第二连接件222包括：
95.第一安装孔2225，设置在第五连接子板2224上，用于连接待测量电池的电极与导线；
96.第二安装孔2226，设置在第五连接子板2224上，且数量至少为一个，设置在第一安装孔2225四周。
97.第一安装孔2225用于连接待测量电池的电极与导线，待测量电池是需要测量的电池，待测量电池包含要测量的电极一起使用，第二安装孔2226用于安装待测量电池，如图3所示第一安装孔可以采用一个大孔，第二安装孔可以采用八个小孔。
98.需要说明的是电极是与电池连接在一起，作为电池的一部分，对电极进行应变测量。
99.在一些实施例中，第一连接件221包括：
100.第三安装孔2214，设置在第二连接子板2213上，用于连接第二连接子板与固定物。
101.第三安装孔2214连接第一连接件与固定物，可以通过螺栓或者螺钉进行连接，一般可以连接到光学平台。
102.在一些实施例中，包括：
103.光学平台260；
104.支撑架270，支撑架设置在光学平台上，ccd相机240设置在支撑架上，且ccd相机240镜筒通过开口212伸入容置空间211内；
105.电池测试仪280，用于对待测量电池供电。
106.电池测试仪280对电池进行供电的同时，调整电池的参数，进而对电极应变参数进行测量，ccd相机镜筒对散射图像进行光的收集，ccd相机进行拍摄，支撑架对ccd相机进行支撑，光学平台用于支撑支撑架，电池测试仪可以设置在光学平台上。
107.电池测试仪为本领域现有技术，在此不作详细说明。
108.本发明实施例提供一种电极材料应变测量方法，使用上述的任一装置，该方法包括：
109.将电池固定在恒温箱中的支撑件上，打开恒温箱，设置需要的温度，在该温度下保持三个小时，使得电池的温度到达需要的温度，然后拍摄一张照片作为参考基准；
110.用电池测试仪对电池进行充放电实验，使得锂离子在电极中嵌入或脱出；
111.电极嵌脱锂期间，控制ccd相机自动采集照片的时间间隔，采集电极表面图像；
112.把采集到的照片进行处理得到变形位移和应变数据，在采集到的图像中选取一个区域，对选取的区域进行相关性分析，得到充放电期间的位移场和应变场。
113.以上为对电池进行充放电过程中的原位应变测试的完整流程。
114.需要说明的是，对选取的区域进行相关性分析时，可以采用图像处理技术进行处理对比，完成测试，图像处理的方法为现有技术，例如，图像处理软件可以采用matlab，使用开源的函数库digital image correlation and tracking对拍摄的照片进行相关性处理，得到充放电引起的电极的变形位移场和应变场，但不限于这一种现有技术。
115.实施例二
116.以si电极为例，结合图2
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8对本发明做进一步的详细说明。利用电极材料变温原位应变测量系统测量硅电极充放电期间产生的应变，测量过程分为以下步骤：
117.(1)把电极样品组装到原位电池中
118.电极表面镀金，裁片，组装到原位电池中，电池负极为金属锂片、正极为硅电极，把正负极分别固定到正负极接线柱上，注入电解液；然后把原位电池密封好。
119.(2)变温原位应变测量
120.原位装置测试示意图如图2所示，测量系统由安装了图像采集卡的计算机图像采集装置、恒温箱、数字图像相关装置、原位电池、ct2001a蓝电电池测试仪组成，测量系统整体放置在光学平台上；其中，数字图像相关装置的联接方式是将装有镜头的ccd相机固定在可调节的支架上；支架固定在光学平台上；将ccd相机与图像采集装置连接；原位电池固定在悬臂梁铁架上，通过恒温箱侧面的开窗伸进箱体，恒温箱可以设置需要的温度；悬臂梁铁架固定在光学平台上，原位电池与箱体没有直接接触，以避免箱体工作时的振动对图像采集的影响；圆环状的白色光源固定在箱体内的悬臂梁铁架上，正对原位半电池装置光学观测窗口；调整ccd相机，使其穿过恒温箱的侧窗，透过光源的内环正对原位半电池装置光学观测窗口；数字图像相关装置的光线由光源发出，到达电极表面，表面反射后的光线，通过镜头进入ccd相机，然后被采集系统记录下来；
121.用ct2001a型蓝电电池测试仪对原位电池进行恒流充放电实验，嵌锂电流密度为74ma/g。配合光源，数字图像相关装置通过电池装置的光学观测窗口，采集并记录充放电期间硅电极的图像；光路的光轴垂直于墨电极表面，见图2，设定采集频率为1次/120秒；
122.(3)实验结果分析
123.通过镀金的方式在电极表面制备散斑，用数字图像相关技术对电极散斑图像进行相关性分析，原位电池在0.2c的倍率和室温条件下进行充放电循环，我们选取第一个充放电过程，在我们选取了一块大小为1.5
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1.5mm的区域进行相关性分析。图5为硅电极的位移云图从中可以看出，锂离子嵌入到硅颗粒中，电极开发生了膨胀。图7为硅电极的应变云图，可以看出应变存在局部不均匀，这是由于电极局部的微结构不均匀导致的。
124.图8为不同温度下的悬臂梁式硅电极在0.2c的倍率下分别进行了三个循环，充放电电压区间为0.01v至2v。可以看出不同温度下的硅电极在放电期间得应变演化趋势大致相同。从图8(a)中可以看出，随着电压的减小，锂离子嵌入到硅颗粒中，电极面内平均应变逐渐增加，在充电期间，随着电压的上升，锂离子从硅颗粒中脱出电极应变逐渐减小，但是并没有恢复到初始状态，这是由于sei膜的生长和部分锂离子不能脱出导致的残余应变。从图8(b)中可以看出，应变和应变结果类似。可以发现在高温下的应变比低温要大，这是由于
高温下的表观充放电容量更大导致的。
125.以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。