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“原味”是不是你的菜？——In-situ XRD

來源：研之成理時間：2020-04-09 16:07:31 瀏覽：7074次

本文轉(zhuǎn)載自研之成理

前言：

在這個手機、pad、筆記本等等泛濫成災(zāi)的現(xiàn)在，幾乎每個人都會在電量不足 10 % 的時候默默的或豪放的吐槽，我擦，沒電了。目前，鋰離子電池幾乎霸占了所有移動設(shè)備電源供應(yīng)，也匯聚了大量的關(guān)注目光。

作為一個如此火熱的方向，鋰離子電池也時不時被推上手術(shù)臺，接受來自世界各地人民的各種技術(shù)的“解剖”。最近 Khalil Amine 大叔就在 nature energy 上提出了目前對鋰離子電池最先進的表征技術(shù)手段：in situ XAFS, in situ TEM, in situ NMR, in situ XRD, in situ SEM, operando DEMS (原位差分電化學(xué)質(zhì)譜)等等，反正一句話 in situ/operando 這單詞不管和哪個技術(shù)結(jié)合，哪個技術(shù)就能開花結(jié)果。當然，近幾年大家也一定在不同的雜志上看到越來越多的看到上面的這些字樣。

正文：

本期內(nèi)容主要對 in situ/operando XRD 技術(shù)進行一些簡單的介紹。

In situ/operando XRD 單從單詞上來說就可以分為兩部分，in situ/operando 是原位的意思，表明你的整個過程是對同一個對象的實時監(jiān)測，當然整個過程中的各個數(shù)據(jù)是具有較高的可比性的（一般文章里會用到 in situ 或 operando，兩個都是“原位”的意思，in situ 相對來說是一種老一點的說法，而 operando 則是比較時髦的說法（詳見維基百科）[1]），XRD 就是我們一般常說的 X-ray 衍射技術(shù), XRD 是一項檢測材料體相的技術(shù)，反應(yīng)的是被測樣品的當前狀態(tài)，只有當其中的含量達到一定量時才能夠通過 XRD 反應(yīng)出來，不同的材料被檢測的含量最低值不同，一般認為含量在 5 % 以上時可以被 XRD 反應(yīng)出來，因此如果產(chǎn)生量很小或者涉及到界面反應(yīng)時需要結(jié)合其他技術(shù)分析。

1 原位 XRD 相對于非原位 XRD 的技術(shù)優(yōu)勢：

1）原位 XRD 在材料反應(yīng)過程中得到實時的結(jié)構(gòu)變化信息，可以深入的認識材料在充放電過程中發(fā)生的反應(yīng)，對如何改進材料也具有很大的指導(dǎo)意義；由于在拆電池（由于極化的存在，單純電池的靜置就可以產(chǎn)生一定的電壓降，大電流下這種情況會更加嚴重），極片洗滌等過程的影響，非原位 XRD 的測試往往不能很好的還原真實的狀況，另外，如果所測試的材料狀態(tài)對空氣敏感，那么，必須將材料放在隔絕空氣的裝置中測試才能反應(yīng)材料的真實狀態(tài)。

2）原位 XRD 的測試可以在短時間內(nèi)得到大量可對比信息，由于原位測試的整個過程是對同一個材料的同一個位置的測試，因此得到的信息（無論是晶胞參數(shù)還是峰強度，還是其他的參數(shù)）都是具有相對可比性的。而非原位 XRD 得到的信息相對可比性較差且對測試過程中的操作要求較高，比如，幾片拆卸洗滌后如果極片處于褶皺狀態(tài)，材料測試的會產(chǎn)生高低變化，測到的XRD的峰會發(fā)生偏移，相應(yīng)的精修得到的晶胞參數(shù)也會有所變化；而不同極片活性材料質(zhì)量和分布必然存在不同，這也必然導(dǎo)致不同充放電狀態(tài)下的峰強可比性是比較差的。

2 原位XRD的模式：

透射模式 VS 反射模式

這兩種模式最基本的區(qū)別是基于提供的 X-ray 衍射光源。由于實驗室 X 射線衍射儀提供的光源功率一般較小，只能采取反射的模式；而如果采用同步輻射加速器所產(chǎn)生的光源具有較高的能量，可以采用透射模式。當然，不同的光源也決定了原位 XRD 電解池的不同和設(shè)計的難易。

1）透射模式

透射模式主要是 X-ray 從電解池的一端進入，衍射的 X-ray 從電解池的另一端跑出來，經(jīng)過探測器接受信號得到數(shù)據(jù)。當然，由于對 X 光源強度的特殊要求，目前，只有具有同步輻射加速光源機時優(yōu)勢的課題組或?qū)嶒炇也啪哂虚_發(fā)這類技術(shù)的前提和優(yōu)勢。如在 2002 年，J-M. Tarascon 發(fā)表了一片采用透射模式原位 XRD 來研究 LiCoO2 在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化。[2]

“原味”是不是你的菜？——In-situ XRD-1

2）反射模式

反射模式主要是 X-ray 從電解池的窗口進入，穿過窗片到達材料，衍射的 X-ray 從相同的窗口跑出來，經(jīng)過探測器接受信號得到數(shù)據(jù)。世界上最早的原位 XRD 電解池就是在采用反射模式設(shè)計的。它是在 1978 年由 B. M. L. Rao 嘗試開發(fā)，用來研究 Li/TiS2 充放電過程中的研究。[3]

“原味”是不是你的菜？——In-situ XRD-2

隨著原位技術(shù)的發(fā)展，目前也有不少課題組嘗試采用扣式電池來進行反射模式的原位 XRD 測試，如 K. Zaghib[4] 采用扣式電池研究比較了尖晶石鎳錳酸鋰在鉻摻雜前后材料充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化。

“原味”是不是你的菜？——In-situ XRD-3

目前世界上對原位 XRD 測試研究較多的組（目前對于正極材料，尤其是高壓正極材料，能夠做到原位中的充放電曲線和實際充放電曲線幾乎一樣的還是非常少見的，下面僅僅列舉少數(shù)，歡迎各位高手批評指正和補充！）

1）原位 XRD 先驅(qū) B. M. L. Rao，ExxonResearch and Engineering Company, Linden, New Jersey，1978 年首次發(fā)表原位 XRD 在電池材料充放電做成中的測試；

2）Jeff Dahn，Department of Physics and Departmentof Chemistry, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia B3H 3J5, Canada，最早是在 1981 年，做 LixTiS2 的原位表征，2002 年，在 journal of electrochemical society 上發(fā)表了名為《Understandingthe Anomalous Capacity of Li/LiyNixLi(1/3-2x/3)Mn(2/3-2x/3)O2 Cells Using InSitu X-Ray Diffraction and Electrochemical Studies》的文章，這是最早的一篇采用原位 XRD 來研究富鋰材料的文章，并且獲得了相關(guān)的專利。

3) Claus Daniel，Materials Science and Technology Division, Oak Ridge NationalLaboratory, Oak Ridge, TN 37831-6083, USA; Energy and Transportation Science Division, Oak Ridge NationalLaboratory, Oak Ridge, TN 37831-6083, USA; Bredesen Center forInterdisciplinary Research and Graduate Education, University of Tennessee,Knoxville, TN 37996, USA; 2013 年，發(fā)表的名為《Structural transformation of a lithium-rich Li1.2Co0.1Mn0.55Ni0.15O2cathode during high voltage cycling resolved by in situ X-ray diffraction》文章中，實現(xiàn)了高壓富鋰正極材料的正常充放電情況下實現(xiàn)了不同圈數(shù)的原位 XRD 研究，說明了可能導(dǎo)致富鋰電壓衰減產(chǎn)生的原因。

4）J-M. Tarascon，在最近以及之前發(fā)表的極片 nature materials 雜志上的文章中幾乎都用到了原位 XRD 技術(shù)來表征材料結(jié)構(gòu)變化。

補充：

除了充放電過程中的原位 XRD 外，還有一種原位叫做高溫原位 XRD，這種原位 XRD 技術(shù)既可以在材料合成過程中來觀察材料結(jié)構(gòu)變化，知道材料合成條件；也可以用來探測沖放電到某個電位下材料隨溫度變換而產(chǎn)生的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化，這對探討實際電池安全性產(chǎn)生的原因之一，即材料結(jié)構(gòu)變化引起的安全問題是一種重要的手段。[5]

“原味”是不是你的菜？——In-situ XRD-4