布鲁克D2在锂电池负极石墨化度分析应用

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布鲁克D2衍射仪在锂电池负极材料石墨化度分析应用 D2PHASER 是一台桌面式 X 射线衍射仪。广泛应用于研究和质 量控制。它操作简单，使用方便。配备了林克斯阵列探测器的 D2衍 射仪是目前市场上速度最快，精度 最高的桌面衍射仪系统。本报告介 绍了 D2衍射仪在石墨材料中的应 用。 石墨及其复合材料具有高温下不熔 融、导电导热性能好以及化学稳定性优 异等特点，广泛地应用于冶金、化工、航空航天等行业。特别是近年来锂电池 的快速发展，进一步加大了石墨材料的 需求。石墨的质量其对电池的性能有很 大影响。工业上常将碳原料经过煅烧、 破碎、焙烧、高温石墨化处理来获取高 性能人造石墨材料。所谓石墨化度 ,即 碳原子形成密排六方石墨晶体结构的程 度 ,其晶格尺寸愈接近理想石墨的点阵 参数 ,石墨化度就愈高。那么 ,碳晶体的 晶胞参数可直接用来表征其石墨化度。 XRD 法利用石墨的晶格常数计算石墨化 度 G[1]： 式中：0.3440为完全非石墨化炭的 (002)晶面间距，nm ；0.3354为理想石墨晶体 的 (002)晶面间距，nm 。doo2为实际石 墨试样（002）晶面间距，nm 。 表 1实验条件 D2 PHASER, LYNXEYE探测器 Cu靶（30kV, 10mA）, Ni滤波片 连续扫描：2Theta（24°-29°） 步长：0.02° 计数时间：0.2秒/步 扫描时间：大约60秒 2.5°索拉狭缝，1mm 发散狭缝 样品架：微槽零背景样品架 数据采集在布鲁克 D2 Phaser 衍射 仪上完成，具体实验条件见表 1。由于 非晶碳向石墨碳转变的过程中，晶面间 距 d002变化很小。为了准确的确定 d002值或 (002)峰的峰位，需要在样品中加入 内标以校准。本文根据 QJ2507-93[2]规 范，用硅作为内标物，加入待测石墨样 品中，在玛瑙研钵中混合研磨均匀。 图 1给出了典型的石墨 (002)峰和 Si(111)峰的衍射图谱 (黑线 )。数据处理 步骤如下：a.用布鲁克物相分析软件 DIFFRAC.EVA ，将图 1中的衍射数据进 行扣除 Ka2处理 (红线 )。b.在处理后的 数据中对石墨 (002)峰和 Si(111)峰求积分 以确定两衍射峰的重心峰位。 c.据 Si(111)峰的理论位置 2θ=28.443°，校 准石墨 (002)衍射峰。利用准确的 (002)峰位及布拉格公式算出的 ddo2值代入公 式计算石墨化度。本例中最终石墨化度 G=94.2%。 图 1 加入 Si 内标的石墨 XRD 图谱（黑线），红线是扣除 Ka2后的图谱。 有时分析石墨化度会发现，石墨 (002)衍射峰峰形对称性很差，如图 2，这是由于样品中可能含有多种不同石墨 化度的组分存在 (当然，也可能是由于 非晶碳或无定形碳的存在。由于非晶碳 不是石墨，这种情况不在本文考虑范 围 )。这时无法简单的用一个峰位来计 算石墨化度。对这种峰形明显不对称的 情况，需要对衍射峰进行分峰处理，得 到各个子峰的峰位和积分强度值，如图 2所示。分别计算各子峰的石墨化度，再利用各子峰的积分强度为权重，归一 化样品的石墨化度。图 2中，考虑两种 不同石墨化程度的石墨，利用布鲁克 TOPAS 全谱分析软件，对两个石墨峰和 硅标进行峰形拟合，结合 TOPAS 零点修 正功能，直接得到两种石墨的 及相 应的积分面积，具体结果见表 2。根据 上述方法及石墨化度公式，得到此样品 的石墨化度 G =79.3%。 表 2 TOPAS 峰行拟合结果 序号 2θ(°) d002(nm) 积分面积 1 26.25 0.3392 82.04 2 26.52 0.3358 123.72 综上所述，XRD 是一种快速有效 的石墨化度测试手段。结合布鲁克 EVA 和 TOPAS 软件，D2 PHASER 衍射仪可 实现不同种类石墨的石墨化度分析。 Reference 1 F rank linRE.The structure of graphitic carbons.Acta crystallographica, 1951, 4, 253. 2QJ2507- 93,碳素材料微观结构参数测定方法 . 图 2石墨实验（蓝色数据点）及 TOPAS 分峰拟合图谱（红色：拟合图谱，两绿色为单峰拟合 结果）