单颗粒电极制造技术

本发明专利技术涉及一种单颗粒电极，包括：微电极，包括金属探针以及绝缘层，所述绝缘层包覆于所述金属探针的外壁，并使所述金属探针的尖端露出；活性颗粒，与所述尖端电连接。采用金属探针作为微电极的基体，绝缘层包覆在金属探针的外壁后，金属探针的尖端直接裸露出绝缘层，无需进行打磨与切割即可，这样，微电极的尖端可以直接连接活性颗粒，进而可以直接使用活性颗粒进行电化学实验，避免对探针进行切割与打磨，提高单颗粒电极的制备效率，降低制作成本，便于制备成型。于制备成型。于制备成型。

【技术实现步骤摘要】
单颗粒电极


[0001]本专利技术涉及电化学
，特别是涉及一种单颗粒电极。

技术介绍

[0002]在锂电池多孔电极模型中，活性物质颗粒(正极如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料、富锂锰基等，负极如石墨、氧化亚硅、钛酸锂等)表面的反应速率常数/交换电流密度及其内部的锂离子扩散系数是两个重要的动力学参数，其准确性一定程度上决定了电池模型的精度。另外，反应速率常数/交换电流密度与锂离子扩散系数也是评价活性物质材料动力学性能的重要指标，其准确性与评价结果可信度高度关联。
[0003]目前动力学参数测量多以多孔电极(纽扣电池、软包电池等)或薄膜电极为对象进行测试，多重因素导致测量结果与材料真实动力学参数之间存在差异：
①
多孔电极结构复杂，除了活性物质颗粒外，还包括导电剂、粘结剂等非活性物质，同时内部存在填充电解液的孔隙，因此动力学测试结果是不同材料各自动力学过程的混合结果，不能反映单一材料性能；
②
活性物质颗粒存在粒径分布，且导电剂等非活性物质附着在颗粒表面，难以估算多孔电极的活性比表面积；
③
多孔电极存在迂曲度，过慢的液相传输阻力影响活性物质颗粒的动力学参数测量；
④
薄膜电极与实际活性物质颗粒相比晶格取向性更明显，与实际情况不符。
[0004]综合来看，剥离非活性物质及孔隙的影响，直接对单个颗粒进行电化学测试是获取材料动力学参数的最优方案。单颗粒电极技术便是一种对单个锂离子电池材料颗粒进行电化学测试的实验方法，该方法能够有效地去除多孔电极中的助剂以及多孔结构的影响，更为直接地反映电池材料的本征特性。
[0005]通常单颗粒电极的技术路线有两种，包括接触式电极和集成式电极。接触式电极是将活性物质颗粒分散在玻璃盘上，并均浸没在含有电解液的培养皿中。借助光学显微镜观察，通过操作臂移动微集流体与活性物质颗粒实现电接触而组装成单颗粒电极。该技术路线成本低，可以实现光学原位观察，但由于实验体系开放，无法使用易挥发不稳定的电解液；实验在手套箱中进行，温度难以控制；集流体与单颗粒的连接不稳定，难以用于循环老化研究；实验成功率较低。
[0006]集成式电极则是在FIB
‑
SEM(聚焦离子束扫描电镜)微操作系统中，通过铂、钨或碳等物质的沉积将单颗粒与金属探针焊接在一起，然后将单颗粒电极从FIB
‑
SEM中取出，进行后续的电化学测试。该技术路线能够脱离手套箱的限制，实验体系封闭，可以实现精确控温，并能使用易挥发不稳定的电解液；金属探针的尖端锥角为7
‑
10
°
，有潜力用于小尺寸的单颗粒；同时，物质沉积的连接方式保证了金属探针与单颗粒的连接稳定。但是该方案的成本较高，实施难度也大。
[0007]目前，单颗粒电极主要采用的是第二种技术路线，即采用集成式电极作为传导电子的集流体。该单颗粒电极中的探针是全包覆的探针结构。探针针尖部分被绝缘物质完全包覆，需要在制备完成后利用聚焦离子束或者离子研磨器进行加工，将针尖处的绝缘物质
去除后，漏出小部分金属以与针尖的单颗粒实现电连接。但是，去除针尖处的绝缘物质时，需要在制备完成后对其进行研磨或切割，增加了单颗粒微电极的制作成本和制作时间，而且，操作过程繁琐，在加工处理过程中极易断裂，制备过程难度较大。

技术实现思路

[0008]基于此，有必要针对目前微电极制备过程复杂、难度大以及成本高问题，提供一种能够简化制备过程、降低制备难度、提高制备效率的单颗粒电极。
[0009]一种单颗粒电极，其特征在于，包括：
[0010]微电极，包括金属探针以及绝缘层，所述绝缘层包覆于所述金属探针的外壁，并使所述金属探针的尖端露出；
[0011]活性颗粒，与所述尖端电连接。
[0012]在其中一个实施例中，所述金属探针包括探针主体以及针尖，所述针尖设置于所述探针主体的一端，所述针尖呈锥形设置，并朝向远离所述探针主体的一端形成所述尖端，所述绝缘层包覆部分所述针尖与所述探针主体。
[0013]在其中一个实施例中，所述针尖露出所述绝缘层的长度尺寸小于10微米；
[0014]所述绝缘层包覆所述金属探针的长度大于500微米。
[0015]在其中一个实施例中，所述针尖包括第一尖部与第二尖部，所述第二尖部的一端与所述第一尖部的一端连接，所述第二尖部的另一端与所述探针主体连接，所述绝缘层包覆所述第二尖部，所述第一尖部露出所述绝缘层。
[0016]在其中一个实施例中，所述探针主体还包括包覆段以及连接段，所述包覆段的一端与所述连接段连接，所述包覆段的另一端连接所述针尖，所述包覆段被所述绝缘层包覆，所述连接段用于外接电路。
[0017]在其中一个实施例中，所述绝缘层包括第一绝缘段与第二绝缘段，所述第一绝缘段包覆于所述针尖，所述第二绝缘段包覆于所述探针主体，所述第一绝缘段与所述第二绝缘段连接；
[0018]所述第一绝缘段的厚度与所述第二绝缘段的厚度相等，或者，所述第一绝缘段的厚度大于所述第二绝缘段的厚度。
[0019]在其中一个实施例中，所述金属探针的尖端通过粘接物质与所述活性颗粒电连接。
[0020]在其中一个实施例中，所述粘接物质包括无机导电粘接剂，注射装置将所述无机导电粘接剂注射于所述活性颗粒与所述金属探针的尖端之间。
[0021]在其中一个实施例中，所述粘接物质包括金属粘接剂或非金属粘接剂，所述金属粘接剂或所述非金属粘接剂沉积连接所述活性颗粒与所述金属探针的尖端；
[0022]所述金属粘接剂包括铂或钨，所述非金属粘接剂包括碳。
[0023]在其中一个实施例中，所述金属探针采用钨、钨钢合金或铍铜合金制成。
[0024]采用上述技术方案后，本专利技术至少具有如下技术效果：
[0025]本专利技术的单颗粒电极中，微电极的绝缘层包覆于金属探针的外侧，使得金属探针的尖端露出，这样，微电极可以使用金属探针露出绝缘层的针尖可以电连接活性颗粒，以形成单颗粒电极，便于后期将进行电化学实验。而且，绝缘层包覆金属探针后，可以直接使得
金属探针的尖端露出，不会存在全部包覆金属探针的情况，进而无需进行切割打磨操作。
[0026]该单颗粒电极，采用金属探针作为微电极的基体，绝缘层包覆在金属探针的外壁后，金属探针的尖端直接裸露出绝缘层，无需进行打磨与切割即可，这样，微电极的尖端可以直接连接活性颗粒，进而可以直接使用活性颗粒进行电化学实验，避免对探针进行切割与打磨，提高单颗粒电极的制备效率，降低制作成本，便于制备成型。
附图说明
[0027]图1为本专利技术第一实施例的单颗粒电极的结构示意图；
[0028]图2为图1所示的单颗粒电极中微电极的示意图；
[0029]图3为本专利技术第二实施例的单颗粒电极的结构示意图；
[0030]图4为图3所示的单颗粒电极中微电极的示意图。
[0031]其中：A、单颗粒电极；10、微电极；100、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单颗粒电极，其特征在于，包括：微电极，包括金属探针以及绝缘层，所述绝缘层包覆于所述金属探针的外壁，并使所述金属探针的尖端露出；活性颗粒，与所述尖端电连接。2.根据权利要求1所述的单颗粒电极，其特征在于，所述金属探针包括探针主体以及针尖，所述针尖设置于所述探针主体的一端，所述针尖呈锥形设置，并朝向远离所述探针主体的一端形成所述尖端，所述绝缘层包覆部分所述针尖与所述探针主体。3.根据权利要求2所述的单颗粒电极，其特征在于，所述针尖露出所述绝缘层的长度尺寸小于10微米；所述绝缘层包覆所述金属探针的长度大于500微米。4.根据权利要求2所述的单颗粒电极，其特征在于，所述针尖包括第一尖部与第二尖部，所述第二尖部的一端与所述第一尖部的一端连接，所述第二尖部的另一端与所述探针主体连接，所述绝缘层包覆所述第二尖部，所述第一尖部露出所述绝缘层。5.根据权利要求2所述的单颗粒电极，其特征在于，所述探针主体还包括包覆段以及连接段，所述包覆段的一端与所述连接段连接，所述包覆段的另一端连接所述针尖，所述包覆段被所述绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲，左安昊，方儒卿，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：