本位XRD助力电极质料钻研 – 质料牛

反映反映相变机理及操做情景下挨算演化纪律是本位质料构效关连钻研的尾要内容，古晨每一每一操做的力电料钻料牛离位表征足腕，每一每一不能反映反映真正在挨算窜改过程，极质特意是研质正在电池质料的表征中，由于不开极片间的本位物理好异战拆拆电池等操做历程的酬谢影响成份，非本位测试的力电料钻料牛数据可比性较好，每一每一不能很好的极质复原回复电池质料正在充放电历程中真正在形态。而本位足艺正在部份测试历程中是研质针对于统一质料的统一位置妨碍测试，患上到的本位疑息具备可比力性，可能约莫对于质料真现动态、力电料钻料牛实时、极质真正在的研质挨算表征。其中，本位本位XRD足艺(in situ XRD)正在电极质料的力电料钻料牛钻研中操做愈去愈普遍，凭证本位XRD图中衍射峰的极质位置战强度修正，可能判断循环历程中产去世的中间体，并可能经由历程那些中间体进一步推导出反映反映机理。本文将扼要介绍本位XRD足艺的相闭知识并凭证真例提醉本位XRD若何助力科研职员探供电极质料与电池功能之间的构效关连战电池反映反映机理。

1. 本位XRD的分类

凭证X射线光源的不开，本位XRD测试有反射战透射两种不开的模式，反射模式下，X射线经由历程窗心进进后抵达质料，衍射后的X射线从统一个窗心进来，经由历程探测器收受旗帜旗号并患上到数据；透射模式下，X射线从电池的一侧进进，衍射后的X射线日后外一侧进来，由于对于X射线源强度的要供，那一模式回支同步辐射光源做为衍射源，极小大天缩短了丈量时候并患上到下量量的丈量下场。深入本位XRD足艺可能正在魔难魔难室衍射仪的底子上妨碍刷新，操做简朴利便，同步辐射本位XRD足艺则惟独少数具备同步辐射的魔难魔难室才气够约莫去世少那类足艺。

2.  四种典型反映反映机制

经由历程本位XRD足艺表征的电极质料的反映反映机制尾要有四种：单相同映反映、相变反映反映、转化反映反映战开金化反映反映。图1b是上述四种反映反映机理的典型特色示诡计。正在单相同映反映中，出有新峰隐现，惟独本初峰产去世位移。正在相变反映反映中，不但仅隐现本有峰的位移，最赫然的征兆是循环历程中原有峰强度削强并隐现新峰。新峰是由本初峰正在不连绝的历程逐渐组成的，新峰战本峰正在确定时格外同时存正在，因此存正在两相区。产去世的相变同样艰深为可顺或者准可顺的，循环后不会带去颗粒粉化。正在转化反映反映中，离子嵌进历程中新相组成，本有相消逝踪，展现为正在本位XRD图谱中隐现多少个赫然的新峰，同时本峰消逝踪，批注本有物量转化为其余物量。新相不能残缺恢回问复原相，循环后总是隐现颗粒破损，申明转化反映反映同样艰深不成顺。至于开金化反映反映，它只针对于锡（Sn）、铋（Bi）、锑（Sb）、锗（Ge）战其余远似元素。正在反映反映历程中，金属离子与电极质料产去世反映反映，而不会修正其成份，同样艰深，产去世的新相是开金。

图1. a本位电池示诡计，b单相同映反映、相变反映反映、开金化反映反映战转化反映反映的本位XRD图谱示诡计[1]

3. 富锂正极质料中可顺 O^2-/O^-氧化复原复原历程的直接可视化[2]

Zhou 战共事操做本位 XRD 探供了具备代表性的富锂层状氧化物 (Li₁.₂Ni_0.2Mn_0.6O₂) 正在锂离子电池中的挨算演化直接可视化 O^-O^-（过氧氧两散体）尾要沿 c 轴键开，并证明了O^2-/O^-氧化复原复原历程是可顺的。晶体挨算是基于一个 5 × 2 × 1 LiMnO₂ 超晶格，其中部份 Mn 簿本被 Li 战 Ni 簿本替换。锂簿本正在过渡金属层中呈蜂窝状，那类蜂窝状挨算正在良多富锂化开物中很常睹，对于应于 XRD 图中的分中超晶格峰。凭证患上到的本位XRD图（图2），（003）战（104）峰的纪律位移批注它是固溶体反映反映。此外，（003）峰直接反映反映了c轴晶格参数的修正。正在初初充电历程中，它起尾逐渐背较低的角度挪移，而后又回到较下的地域，正在 4.5 V 周围明白天隐现出一个转开面。那象征着 c轴晶格参数会先删减而后削减，与 4.5 V 做为边界。那与真践情景切开。一个可能的原因是 Li⁺ 起尾从 Li 层中析出，而后从过渡金属 (TM) 层中析出，导致晶胞沿 c 轴缩短战缩短。可是，由于 TM 层中离子半径减小，a 轴晶格参数正在部份第一次充电历程中不竭降降。放电时，是一个可顺历程。

图2. 富锂层状 Li₁.₂Ni_0.2Mn_0.6O₂ 质料正在前两个循环中的本位 XRD 谱，细建的 c 晶格战 a 晶格参数

4. K₆Nb_10.8O₃₀凸槽纳米带做为下功能锂离子电池背极[3]

Shu 及其共事经由历程本位 XRD 掀收了 K₆Nb_10.8O₃₀的储锂机制。如图 3 所示，峰移小大致呈“W”型趋向。从贫锂的 K₆Nb_10.8O₃₀相到富锂的 Li₂₂K₆Nb_10.8O₃₀ 相的修正履历了 Li₃K₆Nb_10.8O₃₀ 的中间态。除了匹里劈头时不赫然的两相同映反映中，部份循环历程可能看做是典型的单相同映反映，陪陪同纪律的峰移，但出有隐现新峰。

图3. K₆Nb_10.8O₃₀的晶体挨算战XRD图谱

5. 用于钠离子电池的纳米多孔铋-锑阳极的脱开金策略[4]

Zhang 战共事钻研了纳米多孔 Bi₄Sb₄ 开金，并初次经由历程本位 XRD战稀度泛函实际合计提出了典型的两步开金化反映反映，从 (Bi,Sb) 到 Na(Bi,Sb) 而后到 Na₃(Bi,Sb)。如图 4a 所示，三个不开的阶段分说用红色、蓝色战绿色圈出。一个残缺的循环历程可能分为四个阶段，每一个阶段代表一个相变。阶段 1 代表从 (Bi,Sb) 到 Na(Bi,Sb) 的相变，阶段 2 代表从 Na(Bi,Sb) 到 Na₃(Bi,Sb) 的此外一个相变。此外，阶段 3 战阶段 4 分说是阶段 2 战阶段 1 的可顺历程。

图4. a）np-Bi₄Sb₄电极正在放电-充电-放电历程中的本位XRD下场的等下线图战（b）线图。电极正在 25 mA/g 下的放电（第 1 战 2 阶段）-充电（第 3 战第 4 阶段）-放电（第 5 战第 6 阶段）直线以供参考（右侧部份）。

6. 层状 P3 型 K_0.5MnO₂阳极储钾钻研[5]

Ceder 及其共事散开钻研了层状 K_0.5MnO₂内的相变战挨算演化，细化下场批注其主相为 P3 型层状挨算，其中 O²⁻ 以 ABBCCA 序列组成仄止层，Mn²⁺ 占有八里体位面，K⁺ 占有 MnO₆ 八里体层之间的棱柱位面。他们经由历程本位 XRD 丈量钻研了钾的贮存。如图 5 所示，可能不雅审核到两相同映反映战固溶体反映反映。正在残缺可睹峰中，(003) 战 (006) 峰正在充电时背较低的角度挪移，批注 MnO₂ 板坯距离的删减是由于氧之间的倾轧力删减。此外，不成轻忽的是，随着新的（104）峰的隐现，（015）峰逐渐消逝踪，事实下场去世少为肩峰，证明了从 P3 到 O3 挨算的相变。此外，X 相象征着此外一个相变的产去世，如粉红色突出隐现。放电时，演化残缺相同，展现出下度可顺的 K⁺ 嵌进战脱嵌动做。对于 K_0.6CoO₂，本位 XRD 也证明了远似的下度可顺的嵌进机制。

图5. 充放电历程中P3- K_0.5MnO₂的挨算修正。

a) P3 型 K₅MnO₂正在 2 mA g^-1电流速率下的典型充电/放电直线。b-d) 每一个图案以 2 小时扫描速率拍摄的本位 XRD 图案。 e) 制备的#一、#7 战#14 P3- K_0.5MnO₂正在 18-20°的 XRD 峰比力，其中（104）战（015）峰展现 O3 战 P3 挨算， f) 与 O3 战 P3 的模拟 XRD 图案的比力

参考文献：

[1] M. Xia, T. Liu, N. Peng, R. Zheng, X. Cheng, H. Zhu, H. Yu, M. Shui, J. Shu, Lab-Scale In Situ X-Ray Diffraction Technique for Different Battery Systems: Designs, Applications, and Perspectives, Small Methods, 3 (2019) 1900119.

[2] X. Li, Y. Qiao, S. Guo, Z. Xu, H. Zhu, X. Zhang, Y. Yuan, P. He, M. Ishida, H. Zhou, Direct Visualization of the Reversible O²⁻/O⁻ Redox Process in Li-Rich Cathode Materials, Advanced Materials, 30 (2018) 1705197.

[3] H. Zhu, X. Cheng, H. Yu, W. Ye, N. Peng, R. Zheng, T. Liu, M. Shui, J. Shu, K₆Nb_10.8O₃₀ groove nanobelts as high performance lithium-ion battery anode towards long-life energy storage, Nano Energy, 52 (2018) 192-202.

[4] H. Gao, J. Niu, C. Zhang, Z. Peng, Z. Zhang, A Dealloying Synthetic Strategy for Nanoporous Bismuth–Antimony Anodes for Sodium Ion Batteries, ACS Nano, 12 (2018) 3568-3577.

[5] H. Kim, D.-H. Seo, J.C. Kim, S.-H. Bo, L. Liu, T. Shi, G. Ceder, Investigation of Potassium Storage in Layered P3-Type K_0.5MnO₂ Cathode, Advanced Materials, 29 (2017) 1702480.

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