一种基于电化学环境的原位纳米压入装置及其使用方法

本发明属于纳米力学测试领域，尤其涉及一种基于电化学环境的原位纳米压入装置及其使用方法。

背景技术：

1、随着世界能源结构的调整，新能源行业蓬勃发展，人们对一些可持续、可再生的清洁能源需求越来越大，在这个时代背景下，发展电化学储能技术是一个非常重要的环节。锂金属负极拥有高的理论比容量(3860mah g-1)，低的密度(0.53g cm-3)，低的氧化还原电位(-3.04v vs标准氢电极)等优点，因此锂金属电池有望成为下一代储能设备最有前景的体系之一。然而锂金属电池在商业化的进程中存在着很多问题，其中最主要的是由于锂的不均匀沉积/剥离过程会产生巨大的体积膨胀，使得具有电子绝缘和离子传导功能的固体电解质界面膜(sei)受到应力发生破裂，改变了局部电化学反应速率，导致了枝晶生长并影响着电池的寿命。因此，sei的力学性能被认为是评价锂金属电极稳定性的重要指标，尤其是其原位力学性能，对理解实际服役过程中sei的力学失效准则十分重要。此外，阐明sei膜演变和失效的机理，对于确立有效的界面优化方案、开发高性能金属电池负极有着极其重要的科学意义和工程价值。

2、仪器化纳米压入仪具有高空间分辨率、位移和载荷分辨率，成为获取材料表面力学性能的重要手段，广泛应用于机械、医学和新能源等领域。其载荷单元采用电磁式负载系统，通过在线圈导线中导入电流施加驱动载荷，再从系统的力学响应中反演确定压入试样的载荷和深度，是研究sei力学性能的有效手段之一。但是，现有的纳米压入技术都是进行的离位测试，缺乏原位的观测，也就无法实时的研究sei力学性能的变化规律。同时，传统力学测试表征需先将电池拆解后测试，sei易暴露在空气中与环境中水和氧气反应，影响实验结果的真实性。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种能够进行原位测试且测试结果真实性高、适用性广的基于电化学环境的原位纳米压入装置，本发明的另一目的在于提供上述原位纳米压入装置的使用方法。

2、技术方案：本发明所述的基于电化学环境的原位纳米压入装置包括用于提供电化学环境的实验系统、纳米压入测量系统、气路系统、水氧检测系统、温控系统和控制及记录系统；

3、所述用于提供电化学环境的实验系统包括设有可视窗口的外层保温防震罩和设于外层保温防震罩内的透明内层密封罩，透明内层密封罩的内部设有基座、可活动的电化学液槽、电解液原料槽、电解液废液槽、电极材料样品台和位移平台，其中，电化学液槽设于基座上，电解液原料槽和电解液废液槽分别设于电化学液槽的左上端和左下端，均与电化学液槽通过管路相连接，管路上分别设有进液电磁阀和排液电磁阀，电极材料样品台安装于位移平台上，位移平台安装于电化学液槽的右侧壁上，用于实现电极材料样品台在电化学液槽内的水平及垂直移动；电极材料样品台上放置有负极材料，与负极材料相对的位置设有固定于电化学液槽左侧内壁上的正极材料；所述负极材料和正极材料通过导线连接控制及记录系统，所述负极材料为金属锂或待检测的电极材料；

4、所述纳米压入测量系统设于透明内层密封罩内，固定于电化学液槽的后侧壁上，纳米压入测量系统包括压头臂和设于压头臂上的压头，压头臂通过设于电化学液槽上的通孔将压头安装于电化学液槽的内部，用于实现对负极材料的原位力学测试；

5、所述气路系统通过设于透明内层密封罩上的惰性气体入口和惰性气体出口与用于提供电化学环境的实验系统相连接；

6、所述水氧检测系统和温控系统均设于透明内层密封罩的内部；

7、所述用于提供电化学环境的实验系统、纳米压入测量系统、气路系统、水氧检测系统、温控系统和控制及记录系统均通过电性连接。

8、进一步地，所述水氧检测系统设于透明内层密封罩的内底部，包括o2含量检测器和h2o含量检测器。

9、进一步地，所述温控系统包括恒温箱，设于基座的下方；所述恒温箱的温度设定范围为-30至60℃，能够模拟电池的实际使用环境。

10、进一步地，所述电化学液槽由透明材料制成，电化学液槽的内部为空心圆柱；所述位移平台与电化学液槽之间设有用于固定位移平台的橡胶圈，橡胶圈的外径为空心圆柱的直径，橡胶圈的内径为位移平台的外径，所述橡胶圈的数量为2个以上。

11、进一步地，所述压头的形状为锥形、球形或其他形状，可适用于不同厚度、不同形状的待检测的电极材料，可根据测试材料的种类而改变。

12、进一步地，所述纳米压入测量系统还包括支撑架、横向杆、传感器、限位器、电磁加载装置和摄像装置，其中，横向杆安装于支撑架上，横向杆的一端与压头臂相连接，另一端上安装有传感器；支撑架的上半段安装有限位器，顶端安装有电磁加载装置，下半段安装有用于观察压头的摄像装置，限位器的下方还设有枢轴，限位器和枢轴用于将纳米压入测量系统固定于电化学池槽上。

13、进一步地，所述传感器为电容式传感器，所述枢轴为无摩擦的枢轴。

14、进一步地，所述位移平台为xy精密位移平台。

15、进一步地，所述控制及记录系统包括电流电压控制器和记录装置，能够记录测试数据和扫描成像图片。

16、本发明所述的基于电化学环境的原位纳米压入装置的使用方法包括以下步骤：

17、步骤一：先将正极材料固定于电化学液槽的左侧内壁上，接着将待检测的电极材料作为负极材料固定于位移平台上，再将位移平台上安置于电化学液槽的右侧壁上，通过调整位移平台将负极材料调整至合适的位置上，即完成电极材料的安装，之后将电化学液槽移至纳米压入测量系统中，调整纳米压入测量系统中的压头置于电化学液槽内；

18、步骤二：关闭透明内层密封罩，通过气路系统向透明内层密封罩内输入惰性气体，同时通过水氧检测系统检测透明内层密封罩内的水氧含量，待到水氧含量达到设定值，即完成实验系统中水氧含量的调控；

19、步骤三：通过控制及记录系统控制进液电控阀将电解液原料槽中的电解液注入电化学液槽内至完全浸没压头，通过纳米压入测量系统中的摄像装置观察压头与负极材料的表面预接触，关闭外层保温防震罩，开启温控系统，将负极材料和正极材料的导线连接至控制及记录系统中的电流电压控制器，根据所需测试条件，预制相应的sei，预制结束后，关闭电流电压控制器；

20、步骤四：控制压头正式接触负极材料的表面，开始进行压入测试实验并记录测试结果，结束后通过控制及记录系统控制排液电控阀将电化学液槽内的电解液排出至电解液废液槽中。

21、进一步地，所述正极材料为铜，正极材料和负极材料的固定方式为：胶粘；所述电解液为litfsi+dol/dme+lino3或lipf6+ec/dmc/emc。

22、进一步地，所述水氧含量的设定值为：水含量低于1ppm，氧含量低于1ppm。

23、进一步地，所述压入测试实验的条件为：放电电流为1ma，放电终止条件为放电1mah，设定充电电流为1ma，充电终止条件为充电1mah，温度维持在30℃。

24、发明原理：在本发明中，通过设置气路系统、温控系统和用于提供电化学环境的实验系统，实现可控气氛、可控温度及可控电化学反应，通过气路系统中的惰性气体进行气氛保护，排除水氧含量的影响，通过温度控制不仅可以模拟电池实际使用环境，还能排除水含量的影响，提高检测效果；通过将纳米压入测量系统设置于用于提供电化学环境的实验系统的内部，进一步避免了外界水氧的干扰，保证了检测的真实性，再结合水氧检测系统和控制及记录系统，对检测环境进行实时监控和记录。

25、通过设置电解液原料槽、电解液废液槽、进液电磁阀和排液电磁阀实现电解液的自动注入和排出，避免了电解液受空气影响，使得测试结果更加精确。

26、通过具有可视窗口的外层保温防震罩和透明内层密封罩、透明材料制成的电化学液槽能够实时查看检测情况，方便及时调整。

27、采用的电化学液槽可设置为小体积，空间利用率高，可以通过结合电压电流控制器来模拟实际电化学环境，表征锂金属电池sei膜或其他电极材料的原位力学性能，适用条件广泛。

28、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：本发明装置将电池和纳米压入测试有机结合，能够满足锂金属电池sei膜或其他电极材料的原位力学性能测试，确保了纳米力学测试的真实性和准确性，同时扩大了纳米力学的测试范围。