一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位CT成像装置的制作方法

本发明涉及锂电池，具体为一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置。

背景技术：

1、锂(离子)金属电池为其他电池化学材料提供了一个有吸引力的替代品，部分原因是高能量存储密度、功率传递密度和有竞争力的成本。这使得其成为电动汽车(ev)应用中的首选解决方案。为了利用锂(离子)金属电池的高能量和高功率密度的优势，在电动汽车电池组的设计和组装中，电池的包装需要非常紧凑以抑制其形变。同时，已有的报道已经证实袋形电池在循环过程中，在垂直于电极堆栈的方向上将有6％的膨胀。因此，对电池组施加严格的约束(外加压力)，以保持包装的紧凑性，保持电池组件之间的接触，提供良好的热接触，将能够有效防止电池运行过程中的分层和变形。与此同时，考虑到紧凑的封装和锂离子金属电池本身的刚性约束，在封装水平上，由于电池系统的潜在过热，也会导致安全问题。因此，如何更加有效的理解外加施压条件对商业电池的性能提升和安全防范对于未来发展高性能、高安全性电池体系有着积极的意义。

2、以往的研究表明，外部压力会影响锂离子电池的循环寿命，当其分布不均匀时，会导致不均匀老化和性能衰减。据报道，棱柱形电池比由相同电极制成的圆柱形电池老化得更快。这种差异归因于棱柱状电池结构中较低的堆叠压力，导致在循环过程中，具有孤立的或较少可接近的颗粒的阳极孔隙率增加。相反，arnold等人对商业袋电池的研究表明，高堆压力会导致更高的容量衰减，而小堆压力(～0.1mpa)有利于延长使用寿命。此外，外加压力也被证明以相反的方式影响锂电镀；ptzel等人的研究表明，圆柱形电池核心的镀锂比表面少，而bach等人的研究显示，在高压特征区域的镀锂更多。因此，进一步研究外加压力对电池内部电极表界面微观结构的变化，及其影响仍然具有十分重要的应用意义。

3、相比于液体电解质来说，使用不可燃固体电解质的全固态电池(assb)因其使金属锂作为阳极成为可能，从而大大增加了锂电池能量密度的潜力而受到越来越多的关注。但采用固态电解质也有其不足之处，如锂离子在电极材料中的脱嵌将在一定程度上导致其体积变化增大，这将会造成电极材料之间存在着一定机械应力，而这种机械应力在固态电解质中将会比在液态电解质中体现的更加明显，带来的锂电池容量衰减以及危险性更大。在电池中若使用液体电解质，所有产生的机械应力保留在初级粒子和次级粒子中活性材料，因为电极粘合剂是塑料，而液体电解质不传递应力，因此对于电池外壳的冲击始终保持在一个有限的范围内。但在固态电解质的全固态电池中，固态电解质(ses)的情况发生了巨大变化，当固态电解质应用的微结构将经历机械压力，并且本身还可能会受到局部体积变化的影响。因此，对于固态锂电池来讲，在其正常工作的时候就需要考虑在外部对其施加一定的压力来对抗这种内部的应力，这一点对于全固态电池来说显得特别重要。而考虑到在不同的全固态电池体系中，其机械的空间分布会很容易受到实际电池中复杂固相和孔隙率不同分布所带来的不同应变和应力影响，因此，如何保证电极材料和固态电解质之间的机械应力平衡问题，对于电池中的电荷转移起着至关重要的作用。事实上，一方面，不利的电极材料应力组合可能会对电极产生机械方面的损害从而影响电池性能。另一方面，也可以利用化学机械作用在机械成型步骤中降低电极材料的孔隙率。虽然，过去已经有研究来试图解决主动和被动电池组件的机械问题以及全电池的机械膨胀问题，但电极材料中电荷与体积变化的依赖性问题，体积受限的固态电池中所产生的压力变化以及外部压力引起的电池电压变化的问题都尚未得到系统地处理。因此，通过对全固态电池施加不同外部压力来对其整体电池性能进行评估对于提升全固态电池的应用是具有十分重要的科学研究意义的。

4、由此可见，外加机械压力无论是对于常规锂离子金属电池还是未来发展的固态锂金属电池的电池性能以及电池安全都有着十分重要的影响。该类机械压力不仅能够在宏观尺度对电池整体产生影响，同时，也通过改变电池内部电极表界面的微观结构来影响电池整体的性能和安全。因此，若能在这个过程中加入物理学表征手段，来深入研究在不同压力条件下的结构变化也将为开发新型高性能、高安全性电池奠定理论和实验基础。

5、现有锂(离子)金属电池的施压测试均采用一般模具来进行电池性能测试，外加压力是靠压力机直接在电池模具外部施压，然后依靠电池模具本身具有的螺钉进行紧固来稳定所需的压力。这种方法虽然简单易行，但也存在在无法评估内在压力变化或实时监测内部压力变化，也无法知晓内部电极材料和电解质在整个充放电过程中的结构变化。如金属锂本身的屈服强度约为0.8mpa，一旦超出这个极值锂金属就会开始发生蠕变，但利用上述施压电池模具就无法探测出来。针对上述问题，本专利所申请的一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置在现有的电池模具基础上进行重新设计，充分考虑锂离子金属电池所需的密封性以及电极之间的贴合性，池体材质均选用透x射线的高分子材料，方便电池测试过程中实现x射线相关的物理学表征手段，如x射线ct成像功能。此外，该原位装置还直接将压力施加装置融合进去，该压力施加装置包括有电机驱动压力装置，能够给电池本身施加不同的压力，保证电池的在特定压力下的正常运行。同时，该压力施加装置还装配有对压力敏感的压力探测器，能够对电池内部的压力值进行实时监控，真正实现对全固态电池的压力控制。通过上述设计，就能够实现电池在不同压力操作环境下，电极材料、电解质本身的结构随充放电过程变化而改变的信息，从而为研究如锂枝晶成核机理、生长状态变化，电解质与电极材料之间的界面结构变化等课题提供详实的原位数据，这也将为锂(离子)金属电池的进一步发展奠定基础。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，包括原位测试装置，所述原位测试装置由压力驱动部分、压力传感器、活动压头、外壳体、程序控制箱和原位成像电池组成；

3、原位测试装置的输入端分别连接有电池测试仪和x射线ct成像仪；

4、所述压力传感器设置在压力驱动部分的顶部，所述原位成像电池通过螺钉固定在外壳体的顶部，所述压力驱动部分通过主控电机来驱动，主控电机的输出端固定连接有丝杆，所述丝杆的输出端与压力传感器固定连接。

5、优选的，所述压力传感器的输出端与程序控制箱连接，压力传感器的输出端与活动压头转动连接，所述活动压头与原位成像电池输出端电性连接。

6、优选的，所述外壳体设置在压力驱动部分、压力传感器和活动压头的外部，并将其包裹。

7、优选的，原位成像电池包括电池壳体、上螺旋套、上电极杆、下螺旋套、下电极杆和密封垫圈。

8、优选的，所述上螺旋套与电池壳体螺纹连接，所述上电极杆设置在上螺旋套的中间位置。

9、优选的，所述下电极杆贯穿且延伸至下螺旋套的内部，所述密封垫圈套设在下电极杆靠近下端的表面，所述下电极杆的底端与活动压头对应设置。

10、优选的，所述电池壳体采用四氟乙烯高分子材料或聚醚醚酮高分子材料制成。

11、本发明提供了一种具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置。具备以下有益效果：

12、(1)、该具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，主要应用于二次电池体系，包括锂离子电池、锂金属电池、钠离子电池、固态电池、镁离子电池、铝离子电池等多种反应体系，适用于不同测试体系的压力加载情况分析和电池内部各类电极材料表界面微观结构探测。

13、(2)、该具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，该装置完美解决了同一体系在不同压力环境条件下、实时监测内部压力条件变化的同时，对整个电池体系在整个充放电过程中实现x射线ct成像或其他x射线技术的表征，获取高质量的原位结构信息，从而为研究人员解决上述问题提供切实可行的手段，同时也将为高性能、高安全性锂电池的进一步发展奠定扎实的实验和理论基础。

14、(3)、该具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，其中压力驱动部分1主要由一个主控电机9来实现压力的驱动，通过一个高精度丝杆10将力传送出去，丝杆10连接压力传感器2，通过该传感器2感知整个过程中的压力变化情况并将其压力信息反馈至程序控制箱5中进行压力调控功能。

15、(4)、该具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，压力驱动部分1、压力传感器2、活动压头3等组件均有效的通过金属外壳体4来包裹住，该设计不仅能够起到对高精度部件的保护作用，同时也起到对外界环境进行有效屏蔽的功能。

16、(5)、该具有压力施加和探测功能的锂电池原位ct成像装置，该装置具体可以应用在针对锂电池不同机械压力施加情况下的电池性能研究，从而获取施加压力对电池的性能影响的研究。也可以用于在同等压力条件下，不同电极材料、电解质体系在充放电过程中，其内部压力变化的研究与电池整体结构性能之间的关系研究。该原位装置还可直接应用在电池电极材料、电解质等在充放电过程中的结构研究。此外，也是该原位装置最大的优势所在，就是能够对同一体系，完成针对上述所有研究的综合考量，为研究人员彻底解决同一体系在不同压力环境条件下、实时监测内部压力条件变化的同时，对整个电池体系在整个充放电过程中实现x射线ct成像或其他x射线技术的表征，获取高质量的原位结构信息，从而为研究人员解决上述问题提供切实可行的手段，同时也将为高性能、高安全性锂电池的进一步发展奠定扎实的实验和理论基础.