本申请涉及电化学检测技术领域，提供了锌离子浓度变化的监测设备，包括光源、准直透镜组、声光可调谐滤波器、柱面镜组、SPR传感单元、透镜组以及图像采集组件；所述SPR传感单元包括电化学原位池、棱镜以及金属膜，所述金属膜设于所述电化学原位池与所述棱镜之间，所述棱镜对所述入射光进行耦合激发所述金属膜表面产生等离子体共振，所述电化学原位池置于所述金属膜表面以获得检测；所述电化学原位池包括两个锌极片和池体，所述金属膜贴合于所述池体的底部以形成有用于填装锌离子电解液的溶液腔。本申请提供的该监测设备能够快速、准确地判断水系锌电池电解液中离子的浓度变化情况。
【技术实现步骤摘要】
本申请属于电化学检测，更具体地说，是涉及一种锌离子浓度变化的监测设备及监测方法。
技术介绍
1、水系锌离子电池由于其具有高容量、低氧化还原电位、安全性高、成本低等优点而备受关注。然而，锌负极在水系电解液中易发生析氢副反应，导致锌腐蚀、钝化以及枝晶生长等问题，严重制约了水系锌电池的发展。因此，探究锌离子在电解液中的迁移机制，对于如何抑制界面析氢副反应的发生，实现锌电池的长时间稳定循环，有着重要的意义。
2、目前，人们开发了大量的原位表征技术来进行电池反应过程的动态监测，主要包括：光学显微镜成像法、扫描电子显微镜法、透射电子显微镜法以及核磁共振谱法等。其中，光学显微镜成像法，因其良好的操作条件和相容性而被广泛应用于研究离子迁移和枝晶生长机理，但由于衍射极限，光学成像缺乏研究亚微米尺度锌离子浓度变化的空间分辨率。扫描电子显微镜法和透射电子显微镜法，由于其良好的空间分辨率，也被用于研究工作中微型电池中的离子动态检测。但由于操作过程中需要高真空条件，这些技术只适用于使用非挥发性离子液体和聚合物或固体电解质的开放式离子电池，限制了水系锌电池的使用，并且仪器的使用成本较高。核磁共振谱法是研究锌离子沉积和枝晶生长的一种常用的共振波谱技术。然而，该技术的空间分辨率和检测灵敏度仅限于微米尺度以上的大块金属生长，这对于研究水系锌电池中离子浓度的变化过程是不够的。
3、因此，上述现有的水系锌电池电解液中离子变化过程的监测方法，实验要求高，且测试过程中影响因素较多，灵敏度偏低，无法准确监测到水系锌电池电解液中离子的浓度变化情况。</p>
技术实现思路
1、本申请实施例的目的在于提供一种锌离子浓度变化的监测设备及监测方法，以解决现有技术中监测水系锌电池电解液中锌离子的浓度变化情况的方法的准确性和便利性均不足的技术问题。
2、为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
3、第一方面，本申请提供一种锌离子浓度变化的监测设备，包括：
4、光源；
5、准直透镜组，所述准直透镜组用于对所述光源发出的光进行准直聚焦形成平行光束；
6、声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器用于对所述平行光束进行滤波获得窄带光；
7、柱面镜组，所述柱面镜组用于对所述窄带光进行单方向扩束为光斑形成入射光；
8、spr传感单元，所述spr传感单元包括电化学原位池、棱镜以及金属膜，所述金属膜设于所述电化学原位池与所述棱镜之间，所述棱镜对所述入射光进行耦合后激发所述金属膜表面产生等离子体共振，所述电化学原位池置于所述金属膜表面以获得检测；其中，所述电化学原位池包括两个锌极片和呈框体结构的池体，所述金属膜贴合于所述池体的底部以形成有用于填装锌离子电解液的溶液腔，两个所述锌极片置于所述溶液腔的两侧；
9、透镜组，所述透镜组用于对所述spr传感单元的反射光进行收集、准直以及汇聚形成出射光；
10、图像采集组件，所述图像采集组件用于收集所述出射光并获取spr传感面图像。spr传感面可以理解为是金属膜表面。
11、在第一方面的其中一个实施例中，所述池体为弹性池体以使所述池体与所述金属膜抵紧。
12、在第一方面的其中一个实施例中，所述金属膜的厚度为40nm-60nm。
13、在第一方面的其中一个实施例中，所述金属膜为金膜。
14、第二方面，本申请提供一种锌离子浓度变化的监测方法，包括以下步骤：
15、配制水系锌电池用的锌离子电解液；
16、将所述锌离子电解液加入所述电化学原位池的所述溶液腔中，从而所述锌离子电解液能置于所述金属膜上，进而配合所述棱镜形成spr传感单元；使两个所述锌极片的至少部分浸入所述锌离子电解液的水平面以下，从而组成电化学原位池；
17、将所述电化学原位池进行充放电以获得锌离子浓度变化现象，当电化学原位池中的锌离子电解液的浓度发生变化时，则会导致折射率发生变化，spr光谱曲线的吸收峰也就随着发生变化，通过所述声光可调谐滤波器扫描光谱，获得一系列spr传感面强度图像以拟合得到光谱曲线，从而实现水系锌电池中电解液锌离子浓度的变化监测，利用所述图像采集组件采集spr传感面图像，从而实现成像检测。
18、在第二方面的其中一个实施例中，所述配置锌离子电解液包括以下步骤：称取锌盐和电解液添加剂于水中得到锌离子电解液。
19、在第二方面的其中一个实施例中，所述锌盐包括硫酸锌、硝酸锌、三氟甲基磺酸锌、氯化锌、高氯酸锌和磷酸锌中的至少一种。
20、在第二方面的其中一个实施例中，所述电解液添加剂包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、1，3-丙烯磺酸内酯和三乙基甲基铵盐中的至少一种。
21、在第二方面的其中一个实施例中，所述充放电包括：先静置4min-6min，再以4ma-6ma的恒电流充电25min-35min。
22、在第二方面的其中一个实施例中，所述声光可调谐滤波器扫描光谱：
23、光谱扫描范围为450nm-700nm，入射角为72.5°-80°。
24、本申请第一方面提供的锌离子浓度变化的监测设备，利用光入射至金属表面会产生等离子体共振现象(spr)的原理，在电化学原位池的底部设有金属膜，将锌离子电解液置于金属膜上，配合形成spr传感区域，利用光源射出光，通过声光可调谐滤波器扫频获得单色光后耦合至spr传感面，再利用ccd收集出射光信号，通过时分复用方式并行获取所有传感位点spr光谱曲线，从而实现成像检测，进而监测水系锌电池中的离子浓度变化情况。
25、本申请第二方面提供的锌离子浓度变化的监测方法，采用了本申请提供的锌离子浓度变化的监测设备，通过对组装的电化学原位池进行充放电测试，以获得水系锌电池中的离子浓度变化的场景，同时配合传感装置对电化学原位池进行成像检测，即可得到水系锌电池中锌离子的浓度变化和迁移的可视化图像，操作简单，便于观察，能够准确判断水系锌电池中电解液的锌离子浓度变化，并且利用图像可以清晰地观察离子迁移的过程，为水系锌离子浓度变化的检测提供了一种新的方法和思路。
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【技术保护点】
1.一种锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述池体为弹性池体以使所述池体与所述金属膜抵紧。
3.如权利要求1或2所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述金属膜的厚度为40nm-60nm。
4.如权利要求1或2所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述金属膜为金膜。
5.一种基于如权利要求1-4任一项所述的锌离子浓度变化的监测设备的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述配制水系锌电池用的锌离子电解液包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述锌盐包括硫酸锌、硝酸锌、三氟甲基磺酸锌、氯化锌、高氯酸锌和磷酸锌中的至少一种。
8.如权利要求6所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述电解液添加剂包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、1，3-丙烯磺酸内酯和三乙基甲基铵盐中的至少一种。
9.如权利要求5所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述充放电包括：先静置4min-6min，再以4mA-6mA的恒电流充电25min-35min。
10.如权利要求5-9任一项所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述声光可调谐滤波器扫描光谱：
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【技术特征摘要】
1.一种锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述池体为弹性池体以使所述池体与所述金属膜抵紧。
3.如权利要求1或2所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述金属膜的厚度为40nm-60nm。
4.如权利要求1或2所述的锌离子浓度变化的监测设备，其特征在于，所述金属膜为金膜。
5.一种基于如权利要求1-4任一项所述的锌离子浓度变化的监测设备的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的锌离子浓度变化的监测方法，其特征在于，所述配制水系锌电池用的锌离子电解液包括以下步骤：
【专利技术属性】
技术研发人员：王任衡，肖哲，钱正芳，孙一翎，熊可玉，吴明俐，谢洪桂，刘东明，刘雪萍，黎芸，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：
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