【案例分享】軟包電池XRD原位充放電測試案例

原位XRD表征作為(wei) 一種XRD的衍生測試手段，能夠滿足非原位XRD對晶態材料物相分析；而且還能夠實現對晶態材料、二次電池元器件進行原位高低溫、充放電特殊氣氛等條件下的晶體(ti) 結構測試及分析。

鋰離子電池電極材料的性能主要取決(jue) 於(yu) 其組成及結構。係統研究材料的組成結構及性能間的構效關(guan) 係，探索材料在充放電過程中的結構演化、離子及電荷轉移，對深入了解電極材料的儲(chu) 鋰機製，優(you) 化材料化學組成、晶體(ti) 結構及形貌有十分重要的意義(yi) 。

基於(yu) 布拉格定律 (Bragg’s Law)，原位X射線衍射 (X-ray diffraction, XRD)可以在電池的充放電循環過程中，實時監測鋰離子電池活性材料物相及其晶格參數的變化過程，為(wei) 深入研究電池的運行及失效機理提供重要的實驗數據支持。

根據X射線信號采集器相對於(yu) 入射X射線源的位置，原位XRD裝置主要有反射式與(yu) 透射式兩(liang) 種設計。常規實驗室通常采用反射式裝置，其入射X射線與(yu) 信號采集器位於(yu) 電池的同一側(ce) 。因此，所采集的信號主要來源於(yu) 暴露在X射線的電極表麵.透射式的原位XRD的入射X射線則可以直接穿透整個(ge) 電池。

圖1.原位X射線衍射技術(In-situ XRD)

原位電池裝置對於(yu) 原位XRD測試至關(guan) 重要。

對於(yu) 反射式的原位XRD表征，原位電池裝置通常由三個(ge) 主要部分組成：不鏽鋼電池殼體(ti) 、X射線穿透視窗（鈹窗）和鋰離子電池材料。同時，它還需要一些其它部件，如隔板、聚四氟乙烯套環、彈簧、墊圈等。所有部件的組合確保了鋰離子電池材料的緊密接觸、耐電解質侵蝕性和整個(ge) 電池裝置的密封性。

對於(yu) 入射式的原位XRD表征，研究者可以采用軟包電池進行測試，入射X射線可以穿透軟包電池，並同時獲得正極材料和負極材料在循環充放電過程中晶體(ti) 結構演化信息。

圖2.廈門大學原位XRD電池充放電係統

圖3.XRD軟包電池原位變溫充放電裝置

圖4.XRD軟包電池原位變溫充放電裝置工作圖

以下為(wei) 采用NCM811/Graphite軟包電池進行原位XRD實驗的實例。

圖中展示了軟包電池原位XRD實驗時的實驗平台搭建方式，此案例中軟包電池置於(yu) 開有kapton膜視窗的裝置中以實現環境溫度的控製。

圖中也展示了循環充放電過程中NCM811材料和石墨材料晶體(ti) 結構的變化，其中NCM811的（003）峰最初移動到較低的角度，這表明正極材料從(cong) H1到H2的相變，而正極材料晶粒c軸發生膨脹。隨著進一步充電至充電上截止電壓，（003）峰向右側(ce) 移動到更高的角度，這表明正極材料從(cong) H2到H3，此時正極材料晶粒正沿c軸收縮。

如圖所示，石墨材料的峰位移動則代表著石墨與(yu) 鋰碳化合物間的可逆變化。實例中展示了兩(liang) 圈循環充放電過程中的原位XRD數據，結果展現了正負極材料在脫嵌鋰過程中的可逆變化，該方法還可應用於(yu) 長時間循環過程中鋰離子電池活性材料晶體(ti) 結構演化研究。

圖5.軟包電池原位變溫充放電X衍射圖譜

圖6.軟包電池原位變溫充放電X衍射圖譜