全新臺式D6 PHASER應用報告系列（十一）

在臺式機上實現原位XRD測量

原創(chuàng) 唐紅杰

原位X射線衍射在推進我們對儲能系統(tǒng)的理解方面起著至關重要的作用，旨在通過提供對動態(tài)過程（如相變、晶胞參數變化和電極內其他晶體學轉變）的有價值的見解來提高電池的效率和耐用性。在本報告中，我們展示了D6 PHASER用于軟包鋰離子電池原位XRD分析的能力。

▲圖1 一個軟包電池被安放在D6 PHASER中

本實驗使用的軟包電池由在15 μm的Al箔上包覆一層139 μm厚的NMC622 （LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2）、20 μm厚的隔膜材料和在10 μm厚的Cu箔上包覆的一層46 μm的石墨層組成，整體被封裝在聚合物-Al復合袋中。軟包電池的總厚度約為500 μm，通常對于軟包電池的衍射測量首先選波長較短的X射線源，如Mo光管，它能產生更強的輻射，以減少X射線吸收的影響并穿透整個電池。然而，對于像類似這樣的相對較薄的軟包電池，銅X射線源也可以提供很好的測量結果。

本實驗以C/10的倍率（10小時充電，10小時放電，共40小時）進行兩次充放電循環(huán)，由BioLogic的SP-50電化學工作站進行控制。該工作站完-全集成到DIFFRAC.SUITE中，意味著整個實驗可以在DIFFRAC.WIZARD模塊中進行規(guī)劃和控制。在整個軟包電池循環(huán)過程中我們連續(xù)收集了15 ~ 62°2θ之間的衍射圖譜。

▲圖2 所有衍射圖譜的二維等強度視圖，包括了每次掃描的平均電壓。

得益于D6 PHASER的高功率X射線發(fā)生器（1200 W）和緊湊的尺寸，可以在短時間內獲得高質量的衍射數據（6分鐘內）, 整個實驗過程中生成了近400個衍射圖譜。大量的數據收集提供了對電池循環(huán)過程中發(fā)生的結構變化的深入見解。圖2顯示了所有衍射圖譜的二維等強度圖，以及每次掃描的平均電壓，可以很容易地將結構變化或新物質的形成與電化學參數聯系起來。更詳細的信息，如晶胞參數、物相含量和晶體尺寸，則可以從Rietveld精修中提取。一個典型的原位實驗通常由幾百甚至幾千個數據集組成。在本實驗案例中，我們使用DIFFRAC.TOPAS在幾秒鐘內分析了近400個衍射數據。使用XRD分析軟包電池的一個額外挑戰(zhàn)是電池本身的夾層設計，即每個物相具有不同的厚度、吸收系數，且在電池單元內處于不同的空間位置，這意味著必須對包括峰位置、強度和線形進行修正，以實現準確的結構分析。這種復雜的樣品模型可以輕松的在DIFFRAC.TOPAS進行搭建。圖3總結了所有384次掃描的Rietveld精修結果，包括NMC晶胞參數的演變和負極中發(fā)生的相變。

▲圖3：隨充放電狀態(tài)變化NMC晶胞參數的演變（左中）和負極中物相的定量結果（右）的變化，均使用平均電壓繪制。

-轉載于《布魯克X射線部門》公眾號