一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置的制作方法

1.本实用新型属于电化学技术领域，具体涉及一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置。


背景技术：

2.电极是诸如电池、电容器、电催化等诸多电化学器件的核心，对其性能起着至关重要的作用。电极的应力状态对其电化学性能具有显著影响，然而受限于测试手段和方法，一般研究电极的力学-电化学相互作用常采用非原位的方法，即首先通过力学实验仪器对待测试电极进行机械变形，再将变形后的电极组装成电池，测试其电化学性能的变化。
3.非原位方法效率低且精度差。首先，非原位方法难以及时和准确捕捉应力变化引起的电化学性能；此外，许多电极体系对环境极为敏感，例如：锂离子电池正负极材料和电解液极易与空气中水氧发生反应失效，繁琐的操作易引起电极的失效；再次，后续的操作也会引起电极状态发生变化，例如，组装电池时会引入额外的装配压力，导致测试结果并不可靠。
4.由此可见，开发和利用原位的力学-电化学测试装置，实时精确采集测试电极在受力状态下电化学数据对开发高性能的电极具有十分重要的意义。
5.通过将原位拉伸-电化学耦合微型测试装置与电化学工作站、电池充放电测试系统等连接，可以方便地获取拉伸变形条件下采集电极的电化学信号。
6.因此，亟需设计一种新的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，以解决电极变形，测试电化学性能变化的技术问题。
8.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，包括：
9.电化学实验机构和拉伸机构；
10.所述电化学实验机构与所述拉伸机构连接；
11.所述拉伸机构适于对所述电化学实验机构进行拉伸，所述电化学实验机构适于在被拉伸时进行电化学性能检测。
12.进一步，所述电化学实验机构包括：待测电极、电化学槽、隔膜和对电极；
13.所述电化学槽设置在所述待测电极的顶面上；
14.所述隔膜设置在所述电化学槽内部；
15.所述电极设置在所述隔膜的顶面上；
16.所述待测电极与所述拉伸机构连接。
17.进一步，所述电化学实验机构还包括：绝缘板；
18.所述绝缘板设置在所述待测电极的底面上；
19.所述绝缘板的底面设置有支撑座；
20.所述待测电极和所述绝缘板适于与所述支撑座连接。
21.进一步，所述电化学槽底面与所述待测电极顶面之间设置有密封圈。
22.进一步，所述对电极与所述待测电极之间适于通过导线连接。
23.进一步，所述电化学槽的平面设置有盖板；
24.所述盖板上设置有提把；
25.所述盖板适于完全遮盖所述电化学槽。
26.进一步，所述拉伸机构包括：步进电机、运动丝杆和连接件；
27.所述运动丝杆的一端通过连接件与所述绝缘板和待测电极连接，即通过一丝杆前端固定夹具穿过待测电极、绝缘板和连接件；
28.所述运动丝杆的另一端穿过所述步进电机，所述步进电机适于带动所述运动丝杆移动。
29.进一步，所述电化学实验机构和拉伸机构均设置在环境箱内。
30.进一步，所述拉伸机构上设置有传感器组件，所述传感器组件适于在所述拉伸机构拉伸所述电化学实验机构时检测所述拉伸机构的位移量，以及检测所述电化学实验机构受到的力。
31.进一步，所述传感器组件包括：位移传感器、力学传感器和底座；
32.所述底座设置在所述步进电机的一侧；
33.所述位移传感器设置在所述底座上；
34.所述位移传感器与所述运动丝杆穿过所述步进电机的一端连接；
35.所述力学传感器设置在所述运动丝杆上，所述力学传感器设置在所述步进电机与所述连接件之间；
36.所述位移传感器适于检测运动丝杆的位移量；
37.所述力学传感器适于检测运动丝杆受到的力，以检测电化学实验机构受到的力。
38.本实用新型的有益效果是，本实用新型通过所述电化学实验机构与所述拉伸机构连接；所述拉伸机构适于对所述电化学实验机构进行拉伸，所述电化学实验机构适于在被拉伸时进行电化学性能检测；实现了电极变形，测试电化学性能变化，简单、有效，不需要繁琐的操作，减少正负极材料和电解液与空气中水氧发生反应失效，避免电极状态发生变化。
39.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
40.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
41.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本实用新型的一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置的结构示意图；
43.图2是本实用新型的盖板的结构示意图；
44.图3是本实用新型的对铜箔进行原位拉伸弹性变形后的锂沉积曲线示意图；
45.图4是本实用新型的对铜箔进行原位拉伸弹性变形后的锂沉积形貌。
46.图中：
47.电化学实验机构100、待测电极102、绝缘板103、电化学槽104、隔膜105、对电极106、丝杆前端固定夹具107、密封圈108、支撑座109；
48.拉伸机构200、运动丝杆201a、连接件201b、步进电机203、底座205；
49.盖板218、提把219；
50.传感器组件300、力学传感器301、位移传感器302。
具体实施方式
51.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
52.如图1至图4所示，本实施例提供了一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，包括：电化学实验机构100和拉伸机构200；所述电化学实验机构100与所述拉伸机构200连接；所述拉伸机构200适于对所述电化学实验机构100进行拉伸，所述电化学实验机构100适于在被拉伸时进行电化学性能检测；实现了电极（待测电极102）变形，测试电化学性能变化，简单、有效，不需要繁琐的操作，减少正负极材料和电解液与空气中水氧发生反应失效，避免电极状态发生变化；在拉伸机构200对电化学试验机构进行拉伸时会对电化学实验机构100中的待测电极102进行拉伸，使得待测电极102发生变形，测试电化学性能变化。
53.在本实施例中，所述电化学实验机构100包括：待测电极102、电化学槽104、隔膜105和对电极106；所述电化学槽104设置在所述待测电极102的顶面上；所述隔膜105设置在所述电化学槽104内部；所述电极设置在所述隔膜105的顶面上；所述待测电极102与所述拉伸机构200连接；可以将铜箔最为待测电极102，锂作为对电极106。首先将电化学槽104放置于待测电极102并加入锂电用电解液，随后放置隔膜105再次滴加锂电电解液，然后在隔膜105上部放置对电极106（金属锂片），最后将组装好的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置放入环境箱中，设定测试温度为25℃，随后通过导线将待测电极102和对电极106连接，运动丝杆201a依次穿过步进电机203、连接件201b，连接件201b通过丝杆前端夹具依次对待测电极102和绝缘板103进行固定，支撑座固定夹具在另一侧将待测电极102和绝缘板103固定在支撑座109的顶面上，盖上顶部盖板218，拉动运动丝杆201a施加位移从而改变测试电极的拉伸状态，采集实时电化学信息。
54.在本实施例中，所述电化学实验机构100还包括：绝缘板103；所述绝缘板103设置在所述待测电极102的底面上；所述绝缘板103的底面设置有支撑座109；所述待测电极102和所述绝缘板103适于与所述支撑座109连接；例如通过支撑座109固定夹具从上至下依次穿过待测电极102、绝缘板103和支撑座109，使得待测电极102和绝缘板103固定在支撑座109的顶面上。
55.在本实施例中，所述电化学槽104底面与所述待测电极102顶面之间设置有密封圈108；通过密封圈108避免电化学槽104中的液体漏出。
56.在本实施例中，所述对电极106与所述待测电极102之间适于通过导线连接。
57.在本实施例中，所述电化学槽104的平面设置有盖板218；所述盖板218上设置有提把219；所述盖板218适于完全遮盖所述电化学槽104，即盖板218的尺寸略大于电化学槽104的尺寸；在添加电解液之后需要盖上顶部盖板218，避免锂离子电池正负极材料和电解液极易与空气中水氧发生反应失效。
58.在本实施例中，所述拉伸机构200包括：步进电机203、运动丝杆201a和连接件201b；所述运动丝杆201a的一端通过连接件201b与所述绝缘板103和待测电极102连接，即通过一丝杆前端固定夹具107穿过待测电极102、绝缘板103和连接件201b；所述运动丝杆201a的另一端穿过所述步进电机203，所述步进电机203适于带动所述运动丝杆201a移动；利用原位的力学-电化学测试装置，实时精确采集待测电极102在受力状态下电化学数据对开发高性能的电极具有十分重要的意义。连接件201b通过运动丝杠的旋转进行往复运动，进而实现对待测电极102的加载，运动丝杆201a行程可以0.1μm-50cm的精度，更可以通过更换力学传感器301实现0.1n-20kn的载荷加载。
59.在本实施例中，所述电化学实验机构100和拉伸机构200均设置在环境箱内；通过环境箱对电化学测试的环境进行调控。
60.在本实施例中，所述拉伸机构200上设置有传感器组件300，所述传感器组件300适于在所述拉伸机构200拉伸所述电化学实验机构100时检测所述拉伸机构200的位移量，以及检测所述电化学实验机构100受到的力；分担人工操作，使收集到的信号更加稳定清晰。
61.在本实施例中，所述传感器组件300包括：位移传感器302、力学传感器301和底座205；所述底座205设置在所述步进电机203的一侧；所述位移传感器302设置在所述底座205上；所述位移传感器302与所述运动丝杆201a穿过所述步进电机203的一端连接；所述力学传感器301设置在所述运动丝杆201a上，所述力学传感器301设置在所述步进电机203与所述连接件201b之间；所述位移传感器302适于检测运动丝杆201a的位移量；所述力学传感器301适于检测运动丝杆201a受到的力，以检测电化学实验机构100受到的力；位移传感器302通过磁致伸缩原理精准测量位置变化，力学传感器301将力值转为可测量的量，通过导线将待测电极102和对电极106与电化学测试设备相连接，并通过控制系统收集原位拉伸过程中的电化学信号。
62.用铜箔和锂作为待测电极102与对电极106，将电化学槽104放置于铜箔上并加入锂电用电解液，随后放置隔膜105再次滴加锂电电解液，然后在隔膜105上部放置金属锂片，设定测试温度为25℃，通过控制系统反馈信号给原位拉伸测试系统并对铜箔进行均匀拉伸，设置加载速率为0.005 mm/s，拉伸长度为0.1mm，拉伸过程进行放电测试，设定放电电流为0.1 ma，放电终止条件为放电0.13 mah，可得到电沉积时的电压-时间曲线以及沉积后的如图3-图4的形貌图。
63.综上所述，本实用新型通过电化学实验机构100和拉伸机构200；所述电化学实验机构100与所述拉伸机构200连接；所述拉伸机构200适于对所述电化学实验机构100进行拉伸，所述电化学实验机构100适于在被拉伸时进行电化学性能检测；实现了电极变形，测试电化学性能变化，简单、有效，不需要繁琐的操作，减少正负极材料和电解液与空气中水氧
发生反应失效，避免电极状态发生变化。
64.本技术中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
65.在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
66.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
67.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
68.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
69.另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
70.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，包括：电化学实验机构和拉伸机构；所述电化学实验机构与所述拉伸机构连接；所述拉伸机构适于对所述电化学实验机构进行拉伸，所述电化学实验机构适于在被拉伸时进行电化学性能检测；所述电化学实验机构包括：待测电极、电化学槽、隔膜和对电极；所述电化学槽设置在所述待测电极的顶面上；所述隔膜设置在所述电化学槽内部；所述电极设置在所述隔膜的顶面上；所述待测电极与所述拉伸机构连接。2.如权利要求1所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述电化学实验机构还包括：绝缘板；所述绝缘板设置在所述待测电极的底面上；所述绝缘板的底面设置有支撑座；所述待测电极和所述绝缘板适于与所述支撑座连接。3.如权利要求1所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述电化学槽底面与所述待测电极顶面之间设置有密封圈。4.如权利要求1所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述对电极与所述待测电极之间适于通过导线连接。5.如权利要求1所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述电化学槽的平面设置有盖板；所述盖板上设置有提把；所述盖板适于完全遮盖所述电化学槽。6.如权利要求2所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述拉伸机构包括：步进电机、运动丝杆和连接件；所述运动丝杆的一端通过连接件与所述绝缘板和待测电极连接，即通过一丝杆前端固定夹具穿过待测电极、绝缘板和连接件；所述运动丝杆的另一端穿过所述步进电机，所述步进电机适于带动所述运动丝杆移动。7.如权利要求1所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述电化学实验机构和拉伸机构均设置在环境箱内。8.如权利要求6所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述拉伸机构上设置有传感器组件，所述传感器组件适于在所述拉伸机构拉伸所述电化学实验机构时检测所述拉伸机构的位移量，以及检测所述电化学实验机构受到的力。9.如权利要求8所述的微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，其特征在于，所述传感器组件包括：位移传感器、力学传感器和底座；所述底座设置在所述步进电机的一侧；所述位移传感器设置在所述底座上；所述位移传感器与所述运动丝杆穿过所述步进电机的一端连接；
所述力学传感器设置在所述运动丝杆上，所述力学传感器设置在所述步进电机与所述连接件之间；所述位移传感器适于检测运动丝杆的位移量；所述力学传感器适于检测运动丝杆受到的力，以检测电化学实验机构受到的力。

技术总结
本实用新型属于电化学技术领域，具体涉及一种微型原位拉伸-电化学耦合测试装置，包括电化学实验机构和拉伸机构；所述电化学实验机构与所述拉伸机构连接；所述拉伸机构适于对所述电化学实验机构进行拉伸，所述电化学实验机构适于在被拉伸时进行电化学性能检测；实现了电极变形，测试电化学性能变化，简单、有效，不需要繁琐的操作，减少正负极材料和电解液与空气中水氧发生反应失效，避免电极状态发生变化。化。化。


技术研发人员：秦立光 王兴
受保护的技术使用者：新量循（苏州）电池科技有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/9/20