一种用于同步辐射XAS和XRD原位电池阵列自动化测试装置

一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置
技术领域
1.本发明涉及电池测试装置领域，具体涉及一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置。


背景技术：

2.二次离子电池(例如锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池)以及锌空气电池、锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池等金属空气电池，为能源存储提供了重要的解决方案。锂离子电池电极材料的比容量依赖于其组成成分及材料结构，其电池性能与充放电过程材料的结构演化、离子及电子输运及电荷转移紧密相关。通过这些微观信息有利于系统地研究材料的组成-结构-性能之间的构效关系，深入了解电极材料的储能机理、优化材料组分、调节材料结构，这对新型高性能的电极材料的开发具有指导性意义。
3.同步辐射x射线表征方法因其高强度、高光通量、高单色性及分辨率成为不可替代的研究工具。利用同步辐射技术可以获得锂离子电池电极材料结构物性、形成过程及电池充放电过程中电化学反应机理(包括体相结构演变、过渡金属离子氧化态及局域结构变化等)的详细信息。而其中，基于同步辐射原位xas技术，在电化学反应的真实环境下，能实现对电极材料的晶体结构、元素价态、及微区结构进行表征。通过同步辐射xas表征技术可用获得极其丰富的材料电子结构和配位结构信息，这一表征技术有助于研究人员分析锂电池电极材料在充放电过程中伴随的过渡金属离子的价态变化及体相结构变化。以常见的三元电池材料为例，利用同步辐射xas技术，可以测量不同充电状态下的过渡金属元素的价态变化，进而了解电池电化学反应的动态变化过程。因此同步辐射xas技术在锂离子电池材料的结构及机理研究中得到了广泛应用。
4.然而同步辐射光源运行成本极高，光源测试机时宝贵。而电池的充放电测试通常需要耗费大量的光源机时，因此，提高测试效率尤为重要。
5.目前在国内的同步辐射xas束线站上，人工化测试样品的方式效率低而且费时，尚没有批量化测试的自动化装备。目前用于电池原位xas和xrd测试的电池模具已较为成熟，如公布号为cn112485275a的中国发明申请公开了一种离子电池测试部件，设置在x射线吸收光谱仪的样品台中，用于在离子电池的充放电过程中，对其进行原位xas与质谱分析的联合测试，但如果将其设置于常规的样品台中，测试多个样品需逐一连接，效率低且费时。
6.因此，需要开发一种可以实现多样品自动切换测试的样品台，提高电池原位xas和xrd测试的效率。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种测试效率较高的用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置。本装置可用于同步辐射光源的实验站，减少人力成本，提高同步辐射光源实验站的机械化和自动化程度。
8.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于同步辐射xas和xrd原位
电池阵列自动化测试装置，包括数控桁架和电池模具阵列架；电池模具阵列架包括多样品台夹具和支架，多样品台夹具通过支架连接数控桁架，数控桁架带动多样品台夹具移动；多样品台夹具包括上盖和下板，上盖和下板铰接，下板的正面开有多个样品槽，上盖的背面开有多个凹槽，凹槽的底部和样品槽的底部均开有x射线通光孔；样品槽的底部设有负极金属垫片，凹槽的底部设有正极金属垫片。采用这种结构后，可将电池模具安装于样品槽中，把上盖和下板合上后，可对多个样品进行测试，不需要逐个安装，提高测试效率。
9.作为一种优选，样品槽的上表面边缘设有环形的凸台，凸台上开有两个缺口，缺口的深度与凸台的高度相同。采用这种结构后，电池模具上的凸出的螺丝可卡入缺口中，使电池模具固定，不易旋转。
10.作为一种优选，还包括正极弹簧和负极弹簧，负极金属垫片和正极金属垫片均呈环状，负极金属垫片的表面连接负极弹簧，正极金属垫片的表面连接正极弹簧，正极弹簧和负极弹簧均为不锈钢螺旋弹簧。采用这种结构后，通过正极弹簧和负极弹簧压紧，保证电池导电良好。
11.作为一种优选，下板开有安装负极导线的负极导线槽，上盖开有安装正极导线的正极导线槽，负极金属垫片与负极导线连接，正极金属垫片与正极导线连接。采用这种结构后，导线提前埋入导线槽中，试验时不需要逐个接线，可提高测试效率。
12.作为一种优选，下板的x射线通光孔从样品槽的底部贯穿至下板的背面，上盖的x射线通光孔从凹槽的底部贯穿至上盖的正面，x射线通光孔为圆台状的通孔。采用这种结构后，x射线光源从x射线通光孔中通过，测试方便。
13.作为一种优选，支架包括固定连接的镂空板和侧板，镂空板安装于下板的正面，镂空板开有多个镂空部，多个镂空部的位置分别与多个样品槽的位置相对应，侧板的数量为两块且位于镂空板的两侧。采用这种结构后，支架与电池模具阵列架通过螺丝固定连接，拆装方便。
14.作为一种优选，数控桁架包括横向滑台和纵向滑台，纵向滑台与横向滑台连接，横向滑台带动纵向滑台沿水平方向移动，电池模具阵列架与纵向滑台连接，纵向滑台带动电池模具阵列架沿竖直方向移动。采用这种结构后，测试时可自动控制电池模具阵列架的水平和竖直方向的位置，不需要手动移动。
15.作为一种优选，横向滑台包括底座、第一电机、水平导轨、水平丝杆和水平连接板，第一电机安装于底座上，第一电机连接水平丝杆并带动水平丝杆转动，水平导轨固定连接底座，水平导轨上滑动连接有第一滑块，第一滑块与水平丝杆螺纹连接，从而水平丝杆转动时带动第一滑块滑动，水平连接板与第一滑块固定连接并随第一滑块移动；纵向滑台包括第二电机、竖直导轨、竖直丝杆和连接台，连接台与水平连接板固定连接，第二电机安装于连接台上，第二电机连接竖直丝杆并带动竖直丝杆转动，竖直导轨与连接台固定连接，竖直导轨上滑动连接有第二滑块，第二滑块与竖直丝杆螺纹连接，从而竖直丝杆转动时带动第二滑块滑动。采用这种结构后，第一电机和第二电机均为步进电机，通过控制第一电机和第二电机的动作，可精确控制电池模具阵列架的移动。
16.作为一种优选，横向滑台还包括前支座，水平丝杆通过轴承连接前支座，前支座面向第一滑块的一侧设有环形的第一缓冲垫块；纵向滑台还包括上支座，竖直丝杆通过轴承连接上支座，上支座面向第二滑块的一侧设有环形的第二缓冲垫块；第一缓冲垫块和第二
缓冲垫片的材料均为pu。采用这种结构后，可避免与前支座或上支座发生碰撞。
17.作为一种优选，水平导轨的数量为两条，两条水平导轨上的第一滑块通过第一夹具固定板固定连接，竖直导轨的数量为两条，两条竖直导轨上的第二滑块通过第二夹具固定板固定连接。采用这种结构后，滑块通过夹具固定板同步，使第一滑块和第二滑块可以稳定地滑动。
18.总的说来，本发明具有如下优点：
19.1、本发明在测试时，只需将锂离子电池模具放入样品槽，盖上多样品台上板，即可自动实现正负极的连接，不需人为重新连接，特别是当进行多个样品测试时，不需逐个连接，降低工作量，操作方便。
20.2、本发明采用多样品槽设计，能够同时进行多个样品的测试，提高工作效率。
21.3、本发明采用二维丝杆移动平台，可以带动多样品台在水平和竖直两个方向进行移动，从而实现简易快捷地改变电池模具的位置。
附图说明
22.图1为一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置的立体图。
23.图2为一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置的主视图。
24.图3为一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置的侧视图。
25.图4为一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置的俯视图。
26.图5为数控桁架的立体图。
27.图6为数控桁架的主视图。
28.图7为数控桁架的侧视图。
29.图8为底座的立体图。
30.图9为纵向滑台的立体图。
31.图10为连接台的立体图。
32.图11为电池模具阵列架的立体图。
33.图12为电池模具阵列架的另一角度的立体图。
34.图13为电池模具阵列架与电池模具的连接图。
35.图14为支架的立体图。
36.其中，1为水平导轨，2为上支座，3为第二电机，4为竖直导轨基板，5为第二滑块，6为第二缓冲垫片，7为第二电机座，8为第二夹具固定板，9为连接台，10为竖直连接板，11为第二联轴器，12为竖直丝杆，13为底座，14为第二轴承座端盖，15为第二锁紧螺母，16为水平导轨，17为后支座，18为第一电机，19为水平导轨基板，20为第一滑块，21为第一缓冲垫片，22为第一电机座，23为第一夹具固定板，24为水平连接板，25为第一联轴器，26为水平丝杆，27为第一轴承座端盖，28为第一锁紧螺母，29为前支座，30为下支座，31为上盖，32为合页，33为下板，34为正极导线槽，35为搭扣锁，36为电池模具，37为缺口，38为样品槽，39为支架，40为负极弹簧，41为负极金属垫片，42为正极金属垫片，43为正极弹簧，44为x射线通光孔，45为负极导线槽。
具体实施方式
37.下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
38.实施例一
39.如图1～4所示，一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置，包括数控桁架和电池模具阵列架；电池模具阵列架包括多样品台夹具和支架，多样品台夹具通过支架连接数控桁架，数控桁架带动多样品台夹具移动；多样品台夹具包括上盖和下板，上盖和下板铰接，下板的正面开有多个样品槽，上盖的背面开有多个凹槽，凹槽的底部和样品槽的底部均开有x射线通光孔；样品槽的底部设有负极金属垫片，凹槽的底部设有正极金属垫片。
40.如图11～14所示，上盖的侧面和下板的侧面通过合页连接，呈翻盖式，当上盖和下板合起来后，上盖背面的凹槽与下板正面的样品槽内壁围成的腔体刚好将电池模具固定在样品槽内。上盖的另一侧面和下板的另一侧面设有搭扣锁，上盖和下板合起时通过搭扣锁锁紧。
41.上盖和下板均为矩形板且采用绝缘塑料制作，大小为300mm*300mm，样品槽的数量为9个，呈3排3列排布，每个样品槽的形状与特殊离子电池模具外形相贴合。凹槽的数量与样品槽的数量相同且一一对应。
42.样品槽的上表面边缘设有环形的凸台，凸台上开有两个缺口，缺口的深度与凸台的高度相同。
43.在样品槽中放入电池模具时，使电池模具正极的边缘的两个螺丝对准两个缺口，即可将电池模具的位置卡住固定，防止模具在样品槽内旋转移动。
44.每个凸台中，两个缺口对称设置，两个缺口的对称轴与下板面的对角线平行或重合。
45.还包括正极弹簧和负极弹簧，负极金属垫片和正极金属垫片均呈环状，负极金属垫片的表面连接负极弹簧，正极金属垫片的表面连接正极弹簧，正极弹簧和负极弹簧均为不锈钢螺旋弹簧。
46.下板开有安装负极导线的负极导线槽，上盖开有安装正极导线的正极导线槽，负极金属垫片与负极导线连接，正极金属垫片与正极导线连接。
47.正极导线槽位于上盖的正面，负极导线槽位于下板的背面。
48.每一个样品槽分别引出一根负极导线，同一排样品槽引出的负极导线集中固定在同一段负极导线槽内，每一个凹槽分别引出一根正极导线，同一排凹槽引出的正极导线集中固定在同一段正极导线槽内。
49.下板的x射线通光孔从样品槽的底部贯穿至下板的背面，上盖的x射线通光孔从凹槽的底部贯穿至上盖的正面，x射线通光孔为圆台状的通孔。
50.支架包括固定连接的镂空板和侧板，镂空板安装于下板的正面，镂空板开有多个镂空部，多个镂空部的位置分别与多个样品槽的位置相对应，侧板的数量为两块且位于镂空板的两侧。
51.镂空部为85mm*85mm的矩形空腔，支架与下板通过螺丝连接。电池模具穿过镂空部。支架还包括l形板，镂空板通过l形板安装于数控框架上。
52.如图5～10所示，数控桁架包括横向滑台和纵向滑台，纵向滑台与横向滑台连接，
横向滑台带动纵向滑台沿水平方向移动，电池模具阵列架与纵向滑台连接，纵向滑台带动电池模具阵列架沿竖直方向移动。
53.横向滑台包括底座、第一电机、水平导轨、水平丝杆和水平连接板，第一电机安装于底座上，第一电机连接水平丝杆并带动水平丝杆转动，水平导轨固定连接底座，水平导轨上滑动连接有第一滑块，第一滑块与水平丝杆螺纹连接，从而水平丝杆转动时带动第一滑块滑动，水平连接板与第一滑块固定连接并随第一滑块移动；纵向滑台包括第二电机、竖直导轨、竖直丝杆和连接台，连接台与水平连接板固定连接，第二电机安装于连接台上，第二电机连接竖直丝杆并带动竖直丝杆转动，竖直导轨与连接台固定连接，竖直导轨上滑动连接有第二滑块，第二滑块与竖直丝杆螺纹连接，从而竖直丝杆转动时带动第二滑块滑动。
54.纵向滑台还包括竖直连接板，电池模具阵列架安装于竖直连接板上。
55.连接台上固定安装有竖直导轨基板，竖直导轨固定于竖直导轨基板的表面。竖直导轨基板上固定有第二电机座。底座上固定安装有水平导轨基板，水平导轨固定于水平导轨基板的表面，水平导轨基板上固定有第一电机座。
56.第一电机通过第一联轴器与水平丝杆连接，第二电机通过第二联轴器与竖直丝杆连接。
57.底座上设有第一卡槽，第一电机的一端嵌入第一卡槽内。
58.横向滑台与纵向滑台主体选用铝型材加厚外壳，连接台和水平连接板采用铝或铝合金材质。
59.横向滑台还包括前支座，水平丝杆通过轴承连接前支座，前支座面向第一滑块的一侧设有环形的第一缓冲垫块；纵向滑台还包括上支座，竖直丝杆通过轴承连接上支座，上支座面向第二滑块的一侧设有环形的第二缓冲垫块；第一缓冲垫块和第二缓冲垫片的材料均为pu。
60.横向滑台还包括后支座、第一轴承座端盖、第一锁紧螺母，水平丝杆与后支座转动连接，第一轴承座端盖固定连接后支座。纵向滑台还包括下支座、第二轴承座端盖、第二锁紧螺母，竖直丝杆与下支座转动连接，第二轴承座端盖固定连接下支座。
61.水平导轨的数量为两条，两条水平导轨上的第一滑块通过第一夹具固定板固定连接，竖直导轨的数量为两条，两条竖直导轨上的第二滑块通过第二夹具固定板固定连接。
62.水平连接板通过第一夹具固定板连接第一滑块。
63.水平导轨的两端设有水平限位块，竖直导轨的两端设有竖直限位块。
64.上述一种用于同步辐射xas和xrd原位电池阵列自动化测试装置可用于锂离子电池的同步辐射x射线吸收谱和衍射原位测试。使用时，先将锂离子电池装入用于测试的电池模具中，将电池模具放于样品槽中，再将上盖和下板合起并锁紧，然后进行测试。
65.上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。