[发明专利]原位监测AlF3

说明书

本发明提供一种原位监测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。本发明的方法可以对AlF₃作为锂原电池正极工作过程实施原位观测，并在微观尺度原位、实时地来跟踪监测与表征电极材料。同时，本发明的方法为以AlF₃作为正极材料的锂原电池的设计、制造与关键性能指标的改善提供重要的理论性指导。

技术领域

本发明属于原位透射电镜领域。具体地，本发明涉及一种原位监测AlF₃作为锂原电池正极材料的放电过程的方法。

背景技术

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957mAh g^-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。

发明内容

本发明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。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。

本发明提供一种原位监测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；