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 唐紅杰

原位X射線衍射在推進我們對儲能系統的理解方面起著至關重要的作用，旨在通過提供對動態過程（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，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模塊中進行規劃和控制。在整個軟包電池循環過程中我們連續收集了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過程中發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生的相變。

▲圖3：隨充放電狀態變化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