原位监测AlF制造技术

本发明专利技术提供一种原位监测AlF

【技术实现步骤摘要】
原位监测AlF3作为锂原电池正极的放电过程的方法
本专利技术属于原位透射电镜领域。具体地，本专利技术涉及一种原位监测AlF3作为锂原电池正极材料的放电过程的方法。
技术介绍
锂原电池是一种可以连续放电或间歇性放电，但不能进行充电的电池。锂原电池是目前应用广泛的高性能化学电源，在存储器、手表、智能电表、安防系统、医疗器械、军用电源等诸多应用领域发挥着至关重要的作用。现在使用较多的锂原电池主要包含锂-二氧化锰(Li/MnO2)电池、锂-二硫化铁(FeS2)电池、锂-亚硫酰氯电池、锂-二氧化硫(Li/SO2)电池。然而，现有的锂原电池的容量和能量密度已不能满足未来军用、民用等不同领域对高比能量电池的要求。而发展基于“多电子”转化反应的新的正极材料，是突破当前锂原电池容量和能量密度瓶颈的必由之路。电池材料的理论比容量与电化学反应中转移电子的数目是成正比的，转移电子数目的增加，原理上意味着化学电源能量密度的成倍提升，并可同时伴随着由于高价态效应所带来的反应电动势的提高。在众多的转化型材料中只有氟化物具有较高的转化电位，适合做正极材料。在元素周期表中，氟具有最强的电负性，金属氟化物中化学键的键能也因而要比其它种类金属化合物高得多，相应地，金属氟化物作为锂电池正极材料时的放电电位平台也比其它金属化合物高。金属氟化物中，AlF3电极材料综合性能极好，其中的Al元素为3价，意味着发生转化反应生成金属Al时可转移3个电子，对应理论容量为957mAhg-1，是所有锂原电池正极材料中最高的。同时Al元素较轻，对应材料具有很高的质量比能量密度。但是AlF3能隙较宽，为绝缘材料，因此其电化学活化尤其困难，必须深入解决结构转化反应的电化学利用率和反应动力学势垒过高等问题。利用非原位手段对充放电后的电极材料结构分析往往不能反映材料在充放电过程中的实际行为。所以，对以上问题的研究，在很大程度上需要依赖于先进的原位表征手段，模拟电极材料在电池中的工作过程，并在微观尺度原位、实时地来跟踪监测与表征电极材料，探究其电化学反应机制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位监测AlF3作为锂原电池正极材料的放电过程的方法，以实现对AlF3放电过程的实时原位观测。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案实现的。本专利技术提供一种原位监测AlF3作为锂原电池正极的放电过程的方法，其包括以下步骤：(1)将AlF3作为原电池的正极固定在原位透射电子显微镜(TEM)样品杆的固定端；(2)将原电池的负极和电解质固定在原位TEM样品杆的移动端；(3)将所述AlF3与外接电源的负极连接，将所述原电池的负极与外接电源的正极连接，使得所述AlF3发生电化学锂化而进行放电反应；(4)利用透射电镜的成像功能，对所述AlF3的放电过程进行实时原位监测。优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(1)中的将AlF3作为原电池的正极固定在原位TEM样品杆的固定端是通过包括如下步骤的方法进行的：将AlF3通过静电吸附固定在载体上，再将载体固定在原位TEM样品杆的固定端。优选地，在本专利技术所述的方法中，所述载体选自金丝、银丝、半钼环、半铜微栅和半金微栅中的一种。优选地，在本专利技术所述的方法中，所述负极为金属Li，所述电解质为Li2O、LiPON、Li10GeP2S12(LGPS)、Li2S-P2S5、Li7La3Zr2O12(LLZO)或Li3xLa2/3-xTiO3(LLTO)，其中0.04<x<0.14。优选地，在本专利技术所述的方法中，当所述电解质为Li2O时，所述步骤(2)中的将原电池的负极和电解质固定在原位TEM样品杆的移动端是通过包括如下步骤的方法进行的：在手套箱中用W针尖刮取金属Li作为原电池的负极，将W针尖上刮取的金属Li转移至透射电镜样品室的过程中由于暴露在空气而生成的Li2O作为电解质，然后，将原电池的负极Li和电解质Li2O一起固定在由压电陶瓷控制的原位TEM样品杆的移动端。优选地，在本专利技术所述的方法中，所述暴露在空气进行3-10s。优选地，在本专利技术所述的方法中，当所述电解质为LiPON、Li10GeP2S12(LGPS)、Li2S-P2S5、Li7La3Zr2O12(LLZO)或Li3xLa2/3-xTiO3(LLTO)，其中0.04<x<0.14时，所述步骤(2)中的将原电池的负极和电解质固定在原位TEM样品杆的移动端是通过包括如下步骤的方法进行的：在手套箱中用W针尖刮取金属Li作为原电池的负极，然后用带有刮取的金属Li的W针尖蘸取电解质纳米颗粒，蘸取的电解质纳米颗粒作为电解质，然后，将原电池的负极Li和电解质一起固定在由压电陶瓷控制的原位TEM样品杆的移动端。优选地，在本专利技术所述的方法中，所述步骤(3)中的外接电源的电压为2-3V，电流为5×10-8-5×10-7A。在本专利技术的方法中，负极/电解质/AlF3(比如，Li/Li2O/AlF3)是模拟电池体系。在模拟电池中AlF3作为正极，在商业化电池中AlF3是作为正极活性物质，AlF3作为正极在模拟电池中所经历的锂化反应和表现出的电化学性能与AlF3在商业化电池中作为正极活性物质是一致的。本专利技术的方法整个过程在透射电镜中完成，借助于原位电学探针在透射电镜中构筑负极/电解质/AlF3(比如，Li/Li2O/AlF3)模拟电池体系，实现原位的固态电化学反应的同时由于又具有极高真空的优势，既能克服金属Li活泼性较强难以操控的问题，又能原位实现AlF3的固态电化学锂化反应，模拟AlF3作为电池正极材料的工作过程。AlF3具有极高的理论比容量和质量比能量密度，是一种极具应用前景的锂原电池正极材料，但是其导电性差、微观锂化机理的不清楚限制了它的发展和应用。要想实现AlF3作为正极材料工作过程的模拟和原位实时观测，就需要将模拟电池建立在可实时成像的透射电子显微镜中。在本专利技术的具体实施方案中，将金属Li负极，Li2O固态电解质，AlF3正极同时引入到透射电镜中。金属Li负极和Li2O固态电解质位于原位TEM样品杆中压电陶瓷驱动的W针尖上，AlF3正极位于样品杆中固定端的金丝上，通过透射电镜外的控制器操控W针尖上的金属Li负极和Li2O固态电解质接触AlF3，从而构筑Li/Li2O/AlF3模拟电池。在本专利技术的具体实施方案中，本专利技术借助原位TEM样品杆，通过样品杆上的电学探针负载金属Li负极和Li2O固态电解质，电学探针由压电陶瓷驱动，因此可以通过外部控制器控制探针在三维方向的移动，从而接触固定端的AlF3正极，构筑Li/Li2O/AlF3模拟电池，实现AlF3作为锂原电池正极材料放电过程的模拟。本专利技术的方法原理如图1所示。图1中，Li2O电解质为金属Li氧化形成，均匀包覆在金属Li表面，起到传导Li+的作用以及隔绝电子的作用。在本专利技术的一种具体的实施方案中，本专利技术的原位监测AlF3作为锂原电池正极的放电过程的方法，其包括以下步骤：(1)在原位TEM样品杆的固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位监测AlF

【技术特征摘要】
1.一种原位监测AlF3作为锂原电池正极的放电过程的方法，其包括以下步骤：
(1)将AlF3作为原电池的正极固定在原位TEM样品杆的固定端；
(2)将原电池的负极和电解质固定在原位TEM样品杆的移动端；
(3)将所述AlF3与外接电源的负极连接，将所述原电池的负极与外接电源的正极连接，使得所述AlF3发生电化学锂化而进行放电反应；
(4)利用透射电镜的成像功能，对所述AlF3的放电过程进行实时原位监测。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(1)中的将AlF3作为原电池的正极固定在原位TEM样品杆的固定端是通过包括如下步骤的方法进行的：
将AlF3通过静电吸附固定在载体上，再将载体固定在原位TEM样品杆的固定端。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述载体选自金丝、银丝、半钼环、半铜微栅和半金微栅中的一种。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述负极为金属Li，所述电解质为Li2O、LiPON、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li7La3Zr2O12或Li3xLa2/3-xTiO3，其中0.04<x<0.14。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，当所述电解质为Li2O时，所述步骤(2)中的将原电池的负极和电解质固定在原位TEM样品杆的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建林，王文龙，白雪冬，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11