[发明专利]一种锂离子电池原位x射线衍射振动探测装置

说明书

本发明公开了一种锂离子电池原位x射线衍射振动探测装置，主要是由原位x射线衍射装置，密封振动衍射室，振动电机组成。本装置拥有密封性能良好的x射线原位检测功能和不同振动频率功能，振动电机通过调节振动频率，以及结合充放电过程中，能够观测到实时的锂离子电池在不同振动环境下的内部结构变化，以及锂离子电池隔膜与电解液的浸润变化，电极材料与集流体结合力的变化。给锂离子电池热失控安全研究提供了更有价值的研究方法。

技术领域

本发明涉及锂离子电池探测技术领域，具体涉及一种锂离子电池原位x射线衍射振动探测装置。

背景技术

目前，锂离子电池因为充电速度快、寿命长等优点而被广泛使用。锂离子电池相对于镍镉、铅酸等传统电池来说，具有能量密度高，工作电压高，自放电率低，充放电效率高，循环寿命长，工作温度范围宽、环境污染小等优良特点，是目前现代时代电池的发展方向，已广泛用于手机、笔记本电脑、电动车等领域，并且在民用飞机、空间探测器等航空航天领域中也有很好的发展前景，航空领域民用飞机的电源系统主要包括主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等。目前，民用飞机大量采用镍镉电池，相比于锂离子电池，具有体积大、重量大、蓄电量和放电电流不足、充电慢等缺点。

然而锂离子电池热稳定性较差，在过充、过热和撞击等滥用条件下会引发热失控。近几年，大量的锂离子电池运输主要依靠空运与海运两种方式。由于民用航空运输环境条件的特殊性和恶劣性:低压、低温、干燥且存在颠簸性，以及海洋运输中集装箱隔热性差与湿度高等情况对运输锂离子电池都会造成一定影响。美国联邦航空局(Federal AviationAdministration，FAA)调查报告显示，自1991年至2019年这近30年的时间中，世界范围内一共发生了260多起涉及锂离子电池火灾、冒烟、高温和爆炸等不安全事件。因此研究运输环境对锂离子电池的影响具有重要意义。

X射线是在晶体物质中的衍射效应对物质结构进行分析。每一种结晶物质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参数，用具有足够能量的x射线照射试样，试样中的物质受激发，会产生二次荧光X射线，晶体的晶面反射遵循布拉格定律。通过测定衍射角位置(峰位)可以进行化合物的定性分析，测定谱线的积分强度(峰强度)可以进行定量分析，而测定谱线强度随角度的变化关系可进行晶粒的大小和形状的检测。

目前国内外对于x射线衍射仪测量锂离子电池，探测其在脱嵌锂过程中的材料相变行为，利用原位的x射线衍射仪测量分析锂离子电池正极材料在充电过程中两相之间的晶粒尺寸变化规律、单胞晶格常数变化趋势，两相转变时相成分比例变化等，对与航空运输中的振动环境，锂离子电池进行一定频率的振动处理，再放入实验舱内利用外部热源触发探究其热失控行为。

但是对于在航空运输的特殊环境下，锂离子电池处于一种实时不同振幅的振动环境中，电池在受到振动和挤压时会产生应力，使得电池变形，出现隔膜被刺穿使电池内部短路，进而诱发热失控。测试锂离子电池在静止状态下的正负极材料及应力等内部变化，或者对锂离子电池进行单一频率的振动处理后，再放入实验舱内利用外部热源触发其热失控是不准确的，因为振动频率是实时变化的，振动后，锂离子电池隔膜在电解液中的浸润度在实时变化，同时电极材料与集流体之间的结合力下降后也在进行自我恢复的过程中。

由于航空运输的特殊性，飞机在飞行的过程中，由于发动机颤动与气动波扰流极易造成飞行颠簸，飞机运输过程中锂离子电池将长时间处于振动环境中，因此，探究实时振动环境下对锂离子电池内部结构变化和对性能的影响尤为必要，从而对锂电池作出防护准备，为未来锂离子电池安全运输提供解决策略。因此亟需一种能实时探测锂离子电池在振动环境下的内部结构变化的装置。

发明内容