一种测量金属固态电池微观应力分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量金属固态电池微观应力分布的方法，解决了电池应力分布的测定缺乏高效可靠方法，为突破全固态电池发展的技术瓶颈提供了有力工具，其技术方案要点是通过以下步骤：制备锂金属附着固态电解质表面的固态电池并进行电池循环后的样品；将样品固定放置于拉曼光谱仪的调节台并调节使样品表面位于焦平面；调整光谱仪工作模式为区域面扫描，对样品进行二维扫描；根据扫描结果，导出扫描采集的光谱数据；对光谱数据进行处理，得到对应应力值及物理坐标，并通过可视化处理后得到表面微观应力分布状态图，本发明专利技术的一种测量金属固态电池微观应力分布的方法，能获取固态电解质微观应力分布状态，并且高效、简便、可靠。可靠。可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种测量金属固态电池微观应力分布的方法


[0001]本专利技术涉及固态电池应力分布技术，特别涉及一种测量金属固态电池微观应力分布的方法。

技术介绍

[0002]2019年诺贝尔化学奖授予开创锂离子电池技术的三位功勋，是对过去锂离子电池所取得成就的最好肯定。但智能电动化的时代趋势对锂离子电池技术提出了更高的要求。锂离子电池做为储存能量的基本单元，其核心部分由正负电极和电解质组成。在实际应用中，能量密度和安全性是它最重要的两个性能。但传统液态锂离子电池因为易燃液态电解质的使用而存在很大的安全隐患。相反，固态电解质因为具备稳定的化学、电化学性能和较强的机械性能，可以保障锂离子电池在更加严苛的环境下正常工作，所以全固态锂离子电池的安全性能明显优于液态锂离子电池。更重要的是，部分固态电解质(如石榴石型电解质)对锂金属相对稳定，所以，固态电池的负极可以替换成容量更高的锂金属，从而获得更高的能量密度。
[0003]但是，随着对固态电解质研究的深入，人们发现，在液态电解质中存在的锂枝晶生长现象(锂金属在充放电期间的不均匀沉积和溶解，形成穿入隔膜的突起而不是光滑的沉积物)在很多固态电解质(如石榴石型电解质)中也存在。这些金属锂枝晶可以沿着固态电解质的晶界生长，最终导致电池正负极连接而短路。
[0004]现有研究发现锂金属沉积的微观结构是电流密度、固态电解质电子电导率、电池应力水平和温度等各参数的复杂函数。这种由于锂枝晶的生长导致电池循环寿命很短的问题直接阻碍了全固态电池的大规模应用，因此，充分理解锂枝晶在固态电解质中的生长机理对问题的解决显得极其重要。在现在已知的会影响锂枝晶微观结构的几大重要因素中，微观电流密度、微观温度和固态电解质的电子电导率都已经有较为完善合理的科学方法可以直接测定，但对于固态电解质的应力分布测定仍缺乏高效可靠的方法，阻碍了全固态电池的发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种测量金属固态电池微观应力分布的方法，能获取固态电解质微观应力分布状态，测定高效、简便、可靠。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种测量金属固态电池微观应力分布的方法，包括有以下步骤：
[0008]制备锂金属附着固态电解质表面的固态电池，并进行电化学测试获得固态电池循环后的样品；
[0009]将样品固定放置于拉曼光谱仪的调节台并调节使样品表面位于焦平面；
[0010]调整光谱仪工作模式为区域面扫描，对样品进行二维扫描；
[0011]根据扫描结果，导出扫描采集的光谱数据；
[0012]对光谱数据进行处理，得到对应应力值及物理坐标，并通过可视化处理后得到表面微观应力分布状态图。
[0013]作为优选，样品的制备获取步骤具体如下：
[0014]合成符合所需要求的固态电解质，并通过多级砂纸打磨其表面；
[0015]将熔融锂金属附着于固态电解质的两个表面，通过纽扣电池外壳将其进行封装；
[0016]对封装好的锂金属对称固态纽扣电池进行电化学测试，完成电池循环至短路；
[0017]完成测试后进行拆解，取出固态电解质以获得制备的样品。
[0018]作为优选，对样品的数据采集具体步骤包括有：
[0019]固定放置样品后，通过观察光学显微镜捕捉投影至计算机的图像以确保样品表面落在激光的焦平面上；
[0020]拉曼光谱仪对样品表面的区域面扫描，通过将选定的区域进行栅格化，并对栅格化的点阵进行自动的单点光谱扫描，以获得选定区域的光谱数据；
[0021]通过光学显微镜聚焦于样品不同深度平面并进行面扫描，获得样品不同深度平面的光谱数据。
[0022]作为优选，对光谱数据的处理步骤具体包括有：
[0023]导出获取的光谱数据文件，数据文件个数与所选区域栅格化后的交点个数一致，获得光谱图，通过Python算法进行处理；
[0024]选择光谱图中600
‑
800cm
‑1波束范围的光谱数据，采用Psdvoigt函数进行峰形拟合；
[0025]将栅格化后与交点数目一致的光谱数据进行批处理拟合，并把各采样点的光谱拟合得到的两个特征峰的位置及对应的物理坐标存储写入第一文件；
[0026]对存有特征峰和物理坐标的第一文件进行处理，选出波数最小的峰位置作为基底，并将所有峰位置数据都扣除基底以得到各坐标点的拉曼位移并转换为对应应力值，将得到的每个点的应力值及对应的物理坐标存储写入第二文件；
[0027]对第二文件进行可视化处理，得到固态电解质聚焦扫描平面的微观应力分布状态图。
[0028]作为优选，进行峰形拟合的Psdvoigt函数为
[0029][0030]其中，y和y0分别是光谱总强度和背底强度，A是强度比例系数，m
u
是形状系数，x是实验测得的波数，x
c
是峰的确切位置，w是半峰宽。
[0031]作为优选，特征峰位置的偏移量与所受应力大小的线性关系为：
[0032]Δν＝Π
ij
σ
ij
[0033]其中，Δν为偏移量，σ
ij
为应力大小，Π
ij
为系数，单位为cm
‑1/Gpa。
[0034]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
[0035]通过制备LLZTO样品并通过拉曼光谱仪进行扫描、收集光谱数据及进行数据的处理，拉曼光谱仪的空间分辨率为微米级别，与有危害的锂枝晶的尺寸接近，可精确采集获取目标锂枝晶的区域位置的应力水平，采集处理高效，能可靠获取固态电解质应力分布状态；
[0036]拉曼光谱仪配合于共聚焦光学显微镜，可实现对固态电解质微观三维应力分布状
态的表征，对研究锂枝晶如何沿着固态电解质LLZTO生长具有重要的实际意义；
[0037]通过拉曼光谱法，根据特征峰位置的偏移量可对应处理获取所受应力大小，对具有拉曼活性存在特征峰的电解质也可同样适用，具有普适性，适用更广泛。
附图说明
[0038]图1为本方法的流程示意框图；
[0039]图2为电池样本的示意图；
[0040]图3为LLZTO表面的所选区域按步长进行栅格化处理的示意图；
[0041]图4为共聚焦拉曼光谱仪在单点工作模式下采集到的LLZTO的Raman光谱图；
[0042]图5为用Psdvoigt函数对光谱图中600～800cm
‑
1波数范围内实验数据的拟合效果图；
[0043]图6(a)、(b)分别为电池循环前和循环后LLZTO表面微观应力分布状态图；
[0044]图7为用Raman光谱法和共聚焦显微镜对电池循环后的固态电解质LLZTO的三维应力分布状态的表征结果图。
具体实施方式
[0045]以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0046]在各类已知的最可能实现商业化应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量金属固态电池微观应力分布的方法，其特征在于，包括有以下步骤：制备锂金属附着固态电解质表面的固态电池，并进行电化学测试获得固态电池循环后的样品；将样品固定放置于拉曼光谱仪的调节台并调节使样品表面位于焦平面；调整光谱仪工作模式为区域面扫描，对样品进行二维扫描；根据扫描结果，导出扫描采集的光谱数据；对光谱数据进行处理，得到对应应力值及物理坐标，并通过可视化处理后得到表面微观应力分布状态图。2.根据权利要求1所述的测量金属固态电池微观应力分布的方法，其特征在于，样品的制备获取步骤具体如下：合成符合所需要求的固态电解质，并通过多级砂纸打磨其表面；将熔融锂金属附着于固态电解质的两个表面，通过纽扣电池外壳将其进行封装；对封装好的锂金属对称固态纽扣电池进行电化学测试，完成电池循环至短路；完成测试后进行拆解，取出固态电解质以获得制备的样品。3.根据权利要求1所述的测量金属固态电池微观应力分布的方法，其特征在于，对样品的数据采集具体步骤包括有：固定放置样品后，通过观察光学显微镜捕捉投影至计算机的图像以确保样品表面落在激光的焦平面上；拉曼光谱仪对样品表面的区域面扫描，通过将选定的区域进行栅格化，并对栅格化的点阵进行自动的单点光谱扫描，以获得选定区域的光谱数据；通过光学显微镜聚焦于样品不同深度平面并进行面扫描，获得样品不同深度平面的光谱数据。4.根据权利要求3所述的测量金属固态电池微观应力分布的方法，其特征在于，对光谱数据的处理步骤具体包括有：导出获取的光谱数据文件，数...

【专利技术属性】
技术研发人员：薄首行，胡金华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：