[发明专利]一种金属枝晶原位观察装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种金属枝晶原位观察装置及其使用方法，包括透明的基底、集流体层、底座和密封粘合材料，基底与集流体层无缝紧贴，基底中间位置无集流体层，基底和集流体层整体与底座部分通过密封粘合材料进行密封。本发明装置结构简单，操作简便，可实现在常规环境下配合光学显微镜原位观察金属电化学沉积过程及枝晶的形成，可应用不同金属或电解质体系，适用范围广。

技术领域

本发明属于材料表征技术领域，具体涉及一种金属枝晶原位观察装置及其使用方法。

背景技术

随着国家对能源结构的调整，新能源(风能、太阳能、地热能等)的利用和开发越来越受到重视。这些新能源的收集方式一般都是以电能的形式被加以利用，因此，储能设备显得尤为重要。同时，为节约资源，保护环境，国家也在推行电动汽车代替燃油车的政策。为达到上述目的，电化学电源，也称电池，无疑是最佳选择。其中锂离子电池由于其能量密度高，循环寿命长等优势，成为各类电池的首选。但是目前的这种水平，仍无法满足对高能量密度的需求。金属锂具有最负的平衡电极电位和极高的比容量(3860mAh/g)，是一种非常有前景的负极材料。同时锂金属可以与固态电解质配合使用，理论上可实现更高的能量密度。但锂负极存在一个严重的问题-枝晶生长，不管是在液态还是固态电解质中，均会产生锂枝晶，最终导致电池短路失效。

由于枝晶生长在电池内部发生，所以很难直接对其进行直接观察表征，大多还是需要将电池拆开后进行观察研究，但是这种方式可能会对枝晶的形貌或者结构造成破坏。这就需要借助原位表征手段进行观察，目前，已知的原位观察方式主要有原位扫描电子显微镜(SEM)，原位透射电子显微镜(TEM)等，但这些装置复杂昂贵不易实现，都是微观层次表征，而且电池结构和充放电条件会受到限制，与实际体系差异较大。

与之相比，原位光学显微观察既简单又能够有效的对锂枝晶进行实时检测。但是由于金属锂、电解质等在空气中非常不稳定，如果仅在手套箱等惰性气氛下观察，会受到很多条件的限制，难以对不同条件的影响进行探究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属枝晶原位观察装置及其使用方法，简单可靠，成本低，能够在常规条件下实时观察金属枝晶生长过程。

本发明采用以下技术方案：

一种金属枝晶原位观察装置，包括底座，底座的内部设置有电解液或固态电解质，电解液或固态电解质的上方共平面设置有两块金属或金属和集流体，两块金属或金属和集流体间隔0.1～10mm设置组成对称或非对称微电池，底座的上方设置有基底，基底的下侧设置有集流体层，集流体层的一端与底座连接，另一端与金属连接，底座的外侧与集流体层之间设置有密封粘合材料。

具体的，基底采用透明材料制成，透明材料包括硅酸盐玻璃、钢化玻璃、石英、陶瓷、聚合物、塑料或树脂。

具体的，集流体层的厚度为10nm～100μm。

具体的，集流体层为具有良好电子电导且不与所观测金属发生反应的金属，石墨或石墨烯中的至少一种。

进一步的，金属包括金、银、铜、铝和锡。

具体的，底座的长度和宽度均为1～10cm，采用玻璃、石英、陶瓷、聚合物、塑料或树脂制备而成。

具体的，密封粘合材料为普通胶、AB胶和树脂中的至少一种。

具体的，集流体层与基底的连接方式包括电子束蒸镀、磁控溅射、原子层沉积、喷涂或粘合。

具体的，电解液为有机和无机电解液中的一种，固态电解质包括液态电解质、纯无机电解质、聚合物电解质、有机无机复合电解质和凝胶电解质。

本发明的另一个技术方案是，金属枝晶原位观察装置的使用方法，包括以下步骤：