阅读说明：本技术 一种用于原位电化学x射线衍射分析的样品台 (Sample stage for in-situ electrochemical X-ray diffraction analysis ) 是由 邹健莉 王军 曹鲁杰 于 2019-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明专利公布了一种用于原位电化学X射线衍射分析的样品台,属于材料测试及研究领域,本装置可以对金属离子电池电极材料在二电极及三电极电化学充放电过程中进行原位X射线衍射分析,对材料的晶体结构,化学变化,所受应力进行跟踪分析,适用于目前常用的X射线衍射分析仪器,通过正极固定片和半圆形视窗的设计来实现任意角度的X射线衍射分析,本装置有利于最大限度的收集光学信号,为研究电极材料的性能提供信息,具有安装拆卸方便,适于在长期循环过程中的原位观测等优点。(The invention discloses a sample stage for in-situ electrochemical X-ray diffraction analysis, which belongs to the field of material testing and research, can perform in-situ X-ray diffraction analysis on a metal ion battery electrode material in the two-electrode and three-electrode electrochemical charging and discharging processes, performs tracking analysis on the crystal structure, chemical change and stress of the material, is suitable for the X-ray diffraction analysis instrument commonly used at present, and realizes the X-ray diffraction analysis at any angle through the design of an anode fixing piece and a semicircular window.)

一种用于原位电化学X射线衍射分析的样品台

技术领域

本发明涉及可对材料进行电化学条件下的原位X射线衍射分析的实验设备领域，特别是对于金属离子电池电极材料进行充放电条件下的原位X射线衍射分析的实验设备。

背景技术

为提高电池的性能及使用寿命，科研人员需要对电极材料在充放电过程中发生的变化进行详细分析与研究，通过X射线衍射分析，可以获得电极材料的晶形变化，新物质的生成，材料颗粒大小变化及充放电过程中涉及的应力变化等信息，是一种有效实用的研究手段。目前，对于电极材料的X射线衍射分析，主要采用非原位的方法，即将电池材料充放电到一定程度，然后切断充放电控制，将电池打开后，取出电极材料，直接或清洗干燥后再对电极材料进行X射线衍射分析，这种对电极材料进行非原位测试的方法存在诸多问题，如清洗干燥处理的过程不可避免会对材料的化学构成带来干扰，对测试结果的准确性带来不利的影响，同时，电极材料以及电解液，常常对空气中的氧气以及水蒸气敏感，电极材料在离开电池后会继续反应，给测试结果带来了诸多不定的因素。能进行原位实验的装置可以改善上述非原位测试常常不能准确反映电极材料实际情况的问题，虽然可以用来进行原位实验的装置已经引起广泛关注，但还存在一些不足，如授权公号为CN 207541001U的中国实用新型专利，公开了“一种锂空气电池原位X射线衍射测试装置”，该实用新型专利所涉及装置由于气体进口和出口位于测试装置两侧，整体装置不适用于放在目前较为普遍使用的X射线衍射仪中，且由于正级主板和负极主板并未留有外接电化学工作站的接口，给实际的测试带来诸多的困难。授权公号为CN 102435625B的发明专利，公开了“一种X射线衍射原位测试方法及样品架”，其中部分装置为高分子膜构成，其密封方式使其不能重复使用，且只能进行两电极测试，此类装置在测量时受环境的影响较大。综上所述，可以精确的通过三电极方法调控电化学反应，并在此基础上进行原位电化学X射线衍射分析的的装置仍然缺失。为弥补目前测试方法的不足，使原位X射线衍射分析手段成为研究电化学反应及新能源电池的有利工具，本专利提出一种可以进行两电极和三电极电化学测试的样品台装置，利用该装置可以进行电化学条件下原位X射线衍射实验(入射角在0至45度之间)。该样品台的设计具有普适性，其外观可以方便进行改动，以适用于不同的X射线射衍射仪，同时组装简便，重复测量稳定性好，可长期重复使用。

发明内容

如上所述，针对当前原位电化学X射线衍射分析缺少合适的样品台的问题，本发明提供一种用于原位电化学X射线衍射分析的样品台，在不对衍射仪进行改动的情况下，可以进行两电极或三电极电化学反应中原位X射线衍射分析实验，入射角可以为0到45度之间的任意角度区间，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：通过对样品台主体(01)的外形大小厚度等参数设计与商业X射线衍射仪样品杆相匹配，可以直接将样品台放置于衍射仪中；由样品台主体(01)，半圆形视窗(02)，正极连接口(03)，负极连接口(04)，参比电极连接口(05)构成样品台主要外部结构，通过O型密封圈及密封垫进行密封，X射线透过半圆形视窗(02)入射于位于两个小半圆形正极固定片(06)下方的待测试材料，然后衍射出半圆形视窗(02)，被衍射仪的检测器接收，低角度的X射线可以被X射线档板(08)阻拦以提高检测器的灵敏度；半圆形视窗(02)由玻璃或PET构成，这两种材料X射线透过率高且对常用有机溶剂稳定；正极片固定螺丝(07)将正极固定片(06)和X射线档板(08)同时固定，正极片固定螺丝(07)，正极固定片(06)和X射线档板(08)为不锈钢材料，X射线档板(08)同时起到连接两个正极固定片的作用；样品台主体(01)内有高度可以调控的电极材料放置平台以放置负极与参比电极，半圆形视窗(02)内为密闭空间，使电化学反应能够在特定的气氛环境中进行，样品台各部件之间通过密封圈或密封垫片密封。

上述的样品台主体(01)内包含有负极柱(9)，分隔板(10)，参比电极柱(11)三者为一体的电极材料放置平台，负极材料及参比电极可以分别放置于负极柱(9)和参比电极柱(11)上，负极材料及参比电极上依次放置隔膜和正极材料，电极材料放置平台的高度可以通过负极柱固定螺母(13)的旋转进行调节，使被研究的电极材料的外表面高度与样品台主体(01)外沿齐平，可进行大于0度小于45度角的X射线衍射实验。

上述的正极固定片(06)由两个小半圆构成，平行放置，中间有间隔，间隔的距离由正极电极片大小决定，当被测试的正极电极片较非传统电极片小时，可以通过缩小两个正极固定片(06)的距离使得电极片与正极固定片有良好的接触，但两者之间的距离要至少允许X射线通过，这种构造可以允许任意角度的X射线入射来研究电极材料。

上述的X射线档板(08)可以将两个正极固定片(06)连接到一起，下端呈刀刃形，高度可无限接近被测样品，同时允许衍射的X射线通过，又能够阻挡可能会直接打到到探测器上的X射线。

上述的样品台主体(01)样品台主体采用工程塑料PEEK或PPS制备；外部轮廓的大小形状根据所使用的X射线粉末衍射仪进行调整，以适用于不同型号的仪器。

上述的负极柱固定螺母(13)采用内螺纹设计，其作用是通过拧紧螺纹来固定负极连接口(04)和负极柱(09)，同时，对样品台内组装的正极，负极及隔膜施加压力，起到压紧正极，负极及隔膜的作用。

上述的正极连接口(03)，负极连接口(04)，参比电极连接口(05)处均设有特殊设计的凹槽，可直接和鳄鱼夹相连，防止鳄鱼夹脱落。

上述的负极连接口(04)和负极柱(09)相接触的部分有半圆形凸起设计，用来减少摩擦，当负极柱固定螺母(13)被拧紧时，负极柱(09)不随负极连接口(04)一起旋转。

本发明的有益效果是，提供一种可用于进行X射线衍射测试用的样品台，利用该样品台可以在密闭的空间内对所研究材料进行两电极或三电极电化学调控测试并同时收集X射线衍射信号，电极材料被安置于与样品台外沿相平的位置，可以允许衍射仪探测器对入射角0至45度之间的信号进行收集，该样品台组装维护简单，可反复使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进行进一步说明。

图1.样品台整体外观前视示意图。

图2.样品台主体前视示意图。

图3.样品台主体立体示意图(俯视)。

图4.样品台主体立体示意图(仰视)。

图5.样品台内部构造前视示意图。

图6.样品台内部构造立体示意图。

图7.样品台内部构造上视示意图。

图8.样品台内部参比电极与负极构造立体示意图。

图9.样品台内部参比电极与负极构造前视示意图。

图10.X射线档板立体示意图。

图11.半圆形视窗及视窗匙配合立体示意图。

图中01.样品台主体，02.半圆形视窗，03.正极连接口，04.负极连接口，05.参比电极连接口，06.正极固定片，07.正极片固定螺丝，08.X射线档板，09.负极柱，10.分隔板，11.参比电极柱，12.参比电极连接柱，13.负极柱固定螺母，14.密封圈凹槽，15.视窗匙，16.负极柱密封圈凹槽，17.测试材料放置空间。

具体实施方式

【实施例1】

如图1所示，本发明所涉及样品台外部主体由样品台主体01和半圆形视窗02构成，样品台主体01(图2，图3，图4)下方有正极连接口03，负极连接口04，参比电极连接口05，用于和另配备的鳄鱼夹进行连接，鳄鱼夹和外置电化学工作站连接，用于精确控制电流和电压。样品台主体01(图2)的中间平台有螺纹(未在图中显示)和半圆形视窗02内的螺纹匹配，半圆形视窗02通过密封圈凹槽14内置的密封圈样品台主体01密封。半圆形视窗02的材料采用玻璃或PEI等透明材料，以便于X射线的进出。

如图5及图6为样品台内部示意图，正极固定片06被正极片固定螺丝07和X射线档板08(图10)固定到样品台主体01上，两片正极固定片之间有间隔(图7)，主要目的是让X射线通过(图6中的箭头分别表示X射线的入射和衍射方向)。由负极柱09，分隔板10，参比电极柱11构成的电极材料放置平台(图8)和正极固定片06之间是测试材料放置空间17，用来放置正极，负极及隔膜。负极柱09和参比电极柱11之间通过分隔板10分隔，通常被组装在一起做为一个整体使用。参比电极柱11通过参比电极连接柱12和参比电极连接口05与外电路连接。负极柱09上有负极柱密封圈凹槽16(图9)放置密封圈，起到密封作用。

使用时，在手套箱内按上述连接方式将由负极柱09，分隔板10，参比电极柱11构成的电极材料放置平台放入样品台主体01，然后安装负极连接口04及负极柱固定螺母13，以负极柱固定螺母13固定负极连接口04即可，不需要拧紧。在电极材料放置平台上依次放置负极，如做三电极测试，需要放置参比电极，隔膜及正极。然后安装正极固定片06，X射线档板08，并通过正极片固定螺丝07将其固定。安装正极连接口03和参比电极连接口05，并将负极柱固定螺13拧紧，这时负极，隔膜及正极应该被紧紧的压在正极固定片06上。最后用视窗匙15安装(图11)半圆形视窗02。将测试装置从手套箱中移出后，将样品台连接到外电路，实现对电池电极材料在电化学测试状态下的原位X射线衍射光谱测试。