软包电池原位XRD测试

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  软包电池作为电池和电池材料的一种组装方式，在科研和工业领域发挥越来越重要的作用。原位XRD作为表征电池材料在充放电过程中的结构变化重要手段，也已被学术和工业界广泛接受。常规原位XRD采用的是反射式的扣式电池模具，虽然组装方便，可以重复使用，但由于密封性的问题，其长期循环性往往得不到保证。而软包电池可以循环上千次，更有利于研究材料的长期循环性能。 软包电池原位透射XRD系统采用钼靶X光管，光学器件为聚焦Johansson单色器。 探测器为1维阵列X射线探测器。X射线从软包电池的一侧垂直入射，衍射光从另外一侧穿出后汇聚在探测器表面。从而获得高强度和高分辨的X射线图谱。原位透射XRD可以获得软包电池全部深度范围内的衍射信号，而且可以同时获得正负极材料的原位XRD信息。原位透射XRD允许样品具有特定的厚度，尤其是聚焦透射XRD，样品可以具有一定的厚度而衍射峰的分辨率不受影响。         本设备可以和电化学工作站连用， 实现充放电和XRD数据采集的精确控制。 软包样品台可以实现-30摄氏度到 300  摄氏度的温度控制， 以进行软包电池在不同温度下的原位XRD测试和电池的高温失效研究。 透射XRD的原理 软包电池原位透射XRD测试 XRD原位电池技术 锂离子电池电极材料的性能主要取决于其组成及结构。系统研究材料的组成、结构及性能间的构效关系，探索材料在充放电过程中的结构演化、离子及电荷转移，对深入了解电极材料的储锂机制，优化材料化学组成、晶体结构及形貌有十分重要的意义。 原位X射线衍射技术(In-situ XRD)是指在材料的形成和转化过程中进行XRD扫描，主要可用来观察反应过程中所发生的物相转变，精确揭示电池反应机理. 透射XRD (透射X射线衍射)是利用材料对短波长的X射线(如Mo靶，波长0.709埃)的低吸收特点，穿透样品从而获得XRD图谱的衍射技术。 透射XRD可以获得全部深度范围内的所有材料的衍射信号。 透射XRD不受样品厚度和平整度的限制，尤其是聚焦透射几何XRD，样品可以具有一定的厚度而衍射峰的分辨率不受影响。 透射XRD对具有高度取向的样品和需要全部深度衍射信息的样品具有无可比拟的优势。 透射XRD非常适合研究软包全(半) 电池，因为： 可以同时观测到正负极材料的原位变化。 探测到极片上正负极材料全部深度范围内的原位变化。 利用软包电池的优异充放电性能，更接近材料的真实工况。 >D 单色聚焦几何 1.透射XRD最佳的光路设计是聚焦透射几何。使用特殊设计的X 射线光学器件将X射线聚焦，而焦点位置为探测器的探测面。2.当X射线透过样品后，衍射信号依然会聚焦在探测器表面，从 而获得高强度和高分辨率的衍射图谱。 软包电池的设计 铝箔隔膜 软包电池可以使用正常的工业极片。 铜箔 极片的层数为单层正负极或双层 正负极(双层设计为单面涂敷的正极和双面涂敷的负极材料组成 三明治结构，最大层数不超过7层， 4层铜箔，3层铝箔) 电池的尺寸为~8oX8o毫米的正方形。 化成后将多余的电解液真空抽走，使得软包电池平整紧密。 正极 负极 典型软包电池透射原位XRD数据和结果钴酸锂软包 C0 钴酸锂003峰 ●原原位电池透射XRD仪器参数： Mo 靶 (40kV， 20mA)， 聚焦Johansson 单色器 ●阵列探测器 ●5度Soller狭缝 测量参数： 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta)WL=0.70929 ●单个原位XRD数据测量时间：300秒 测试倍率(0.1C) 石墨002峰 典型软包电池透射原位XRD数据和结果钴酸锂软包电池 PDF 70-2685 Li Co O2 Lithium Cobalt Oxide PDF 01-1176 AI Aluminum 口PDF 70-3038 Cu Copper PDF 35-1047 Li C24 Lithium Carbide 3.7V c 典型软包电池透射原位XRD数据和结果钴酸锂软包 衍射数据的结构精修以获得材料的结构参数和变化 钴酸锂晶胞参数a 钴酸锂晶胞参数c 钴酸锂晶胞体积 伊凡智通 典型软包电池透射原位XRD数据和结果钴酸锂软包(过充到4.8伏) 6一 品 8- 品- 品 品- 品- 导 品 品- TTTTTT 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 一二 一 寸ON 8 三 TTTTMW 25.325.4225.525.625.725.8325.9 2626.11226.226.326.426.526.6626.7 26.8326.9 2727.127.227.327.427.5 T 7.6 7.7 7.8 7.9 8. 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=0.70929 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=0.70929 钴酸锂软包((充到4.6伏) 钴酸锂软包((充到4.6伏) 251 2324 21 31 31 24 33 典型软包电池透射原位XRD数据和结果NCM532软包 品 品 × 品 R 品 品 二一 Aux(Still (unknow (1D) WL=0.70929 2.855 2.85 NCM晶胞参数a 2.845 2.84 2.835 2.83 2.825 2.82 2.815 2.81 0 20 40 60 80 100 120 典型软包电池透射原位XRD数据和结果NCM532软包(三个循环，40个小时) 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=0.70929 伊凡智通 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=0.70929 7层软包电池原位测量图谱 2Theta (Coupled TwoTheta/Theta)WL=1.54060 原位测量的二维图谱展示((0.2C) 原位测量的二维图谱展示(0.2C) 003 衍射峰 石墨衍射峰 原位测量中NCM峰位和峰强变化(0.2C) T地D2lhete iCaupled1 rta/lhbalM=15060 003 衍射峰 101衍射峰 原位测量中石墨负极的变化(0.2C) 原位数据的结构精修(0.2C) NCM晶胞参数和体积的变化((0.2c) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 7层软包电池原位测量图谱(1C) 测量范围：7度到32度测量速度：3分钟/谱衍射谱：130个波长： MoKalpha1 原位数据的结构精修(1C) NCM晶胞参数和体积的变化(1C) 典型软包电池透射原位XRD数据和结果磷酸铁锂软包 8 8 8 品一 一 Aux fsil funknow (1d) WL=0.70929 【FCF 040787A9.Mhum，. 小小 小 TTTT 中型10 11 12 15 16 17 18 19 20 211 22 23 26 28 292Theta (Coupled TwoTheta/Theta) WL=0.70929 TTTT 第一个完整的充放电循环3D演示 LiFePO4物相确认 XRD拟合获得相含量和各个物相结构信息 LiFePO4 和FePO4相的含量变化 LiFePO4晶胞参数变化 晶胞参数a 日晶胞参数C 晶胞参数b 总结 使用短波长X射线(Mo或Ag) 结合透射衍射技术和软包电池可以很好的表征电池材料在原位充放电过程中的结构变化。 禾利用软包电池可以多次循环的特点，透射原位测量可以表征材料长周期之后的结构。 ·车软包透射原位XRD的数据采集时间可以很短(几十秒) 有利于表征材料在高倍率充放电时候的结构变化。 联系电话： 13810220610 伊凡智通