Предисловие

Дифракция рентгеновских лучей (XRD) является важным инструментом для изучения свойств кристаллической структуры электродных материалов. Кроме того, его можно использовать для изучения принципов химических реакций. В электрохимической системе XRD используется для изучения новых электродных материалов для зарядно - разрядных литий - ионных батарей. Во время зарядки и разрядки материал подвергается испытанию XRD на месте, и механизм электрохимической реакции может быть предсказан путем изменения пикового уровня дифракции.

Рентгеновская дифракция - это явление дифракции рентгеновских лучей в образце, которое использует положение и интенсивность дифракционного пика для качественного анализа типа кристаллизации материала, дефекта кристалла, содержания различных структурных фаз и т. Д. Во время зарядки и разрядки батареи изменяется тип кристаллизации электродного материала, параметры ячейки и т. Д. Чтобы определить конкретные изменения, которые происходят в электродном материале во время зарядки и разрядки батареи, мы можем использовать исходный XRD для наблюдения электродного материала в реальном времени, чтобы можно было предположить промежуточные продукты, образующиеся в процессе электрохимической реакции, с помощью которых можно выявить механизм реакции.

Рисунок 1. (a) Схема проектирования батарей на месте; (b) Схема исходного XRD - графика четырех типичных механизмов реакции батареи:

Однофазная реакция, фазовая реакция, реакция легирования, реакция преобразования. [1]M. T. Xia, T. T. Liu, N. Peng, R. T. Zheng, X. Cheng, Small Methods 2019, 1900119, 3.

Преимущества XRD

Преимущества оригинального XRD по сравнению с оригинальным XRD заключаются в следующем:

Исходный XRD получает информацию о структурных изменениях в реальном времени во время реакции материала, может глубоко понять реакцию материала во время зарядки и разрядки, также имеет большое руководящее значение для улучшения материала.

Тесты XRD, которые не являются оригинальными, часто не очень хорошо восстанавливают истинное состояние, и если состояние материала, которое тестируется, чувствительно к воздуху, материал должен быть протестирован в устройстве, которое изолирует воздух, чтобы отразить истинное состояние материала.

Тестирование исходного XRD позволяет получить большой объем сопоставимой информации за короткий промежуток времени, и поскольку весь процесс тестирования на месте - это тестирование одного и того же материала в одном и том же месте, полученная информация (будь то кристаллические параметры, пиковая прочность или другие параметры) относительно сопоставима.

Информация, полученная не на месте XRD, менее сопоставима и требует более высоких эксплуатационных требований в процессе тестирования, например, если полярная пластина находится в складчатом состоянии после демонтажа и промывки полярной пластины, что приводит к высоким и низким изменениям в тестовой поверхности материала, смещению измеренного саммита XRD, соответствующие усовершенствованные параметры ячейки также будут изменены; Масса и распределение активных материалов на разных полярных пластинах неизбежно будут разными, что неизбежно приведет к тому, что пиковая сила сопоставима в разных состояниях зарядки и разрядки.

Примеры применения

(1) Образцы / Образцы

В этом эксперименте используется настольный рентгеновский дифракционный прибор FRINGE от Suzhou Lange Science Instruments Ltd. для тестирования оригинальной батареи XRD после сборки электродного материала, предоставленного исследовательской группой школы.

Рисунок 2. a ~ c) схема сборки батарей на месте; d) Монтажный чертеж для испытания батарей на месте

Рисунок 4. Использование Fringe для полевых испытаний XRD на месте

(2) Испытания и анализ

Исследовательская группа, изучающая положительный материал литий - ионных батарей - межслойные соединения графита, должна использовать исходный XRD для раскрытия механизма электрохимической реакции.

Для межслойных соединений графита структурная информация может быть определена с помощью рентгеновских дифракционных экспериментов. Как показано на рисунке 5, между слоями графита в начальном графите действует сила Ван дер Ватта, в течение которой расстояние от d0 составляет около 0335 нм. По мере того, как мозаичные виды попадают между слоями графита, пространственное расположение в направлении вертикальной базы меняется. Как правило, отношение числа слоев атомов углерода к количеству слоев встроенных видов определяется как n - ступень соединений между слоями графита, которая измеряет глубину реакции вставки. На этой основе существует количественная связь:

Яс= dи+(n-1)d0

Рисунок 5. Схема структуры соединений между слоями графита

Рисунок 6. PF6-кривая заряда - разряда с постоянным током на первом круге анионного электрохимического слоя

Рисунок 7. Графитное пластовое соединение GIC, образующееся в процессе зарядки из положительного слоя графита с электрохимическим покрытием PF6 - анионом,

Начальный графитовый пик слева и справа от него с обеих сторон для формирования GIC (00n + 1) и (00n + 2) дифракционных пиков

Рисунок 8. PF6 - анионный электрохимический слой с графитовым положительным зарядом, отображаемый программным обеспечением CrystalX в виде суперпозиции смещения XRD

Рисунок 9. кривая заряда и разряда с постоянным током на первом круге положительного графитового слоя

Рисунок 10. Диаграмма суперпозиции смещения XRD в исходном положении, показанная программным обеспечением CrystalX в процессе зарядки и разрядки графита с использованием тетрафторбората BF4 - анионного интерполяционного графита в молекулярном растворителе сульфона SL

(3) Итоги и обсуждение

1. Испытания на зарядку и разрядку при постоянном токе на полуэлектроде Li / графита часто используются для предварительного электрохимического характеристики положительного материала, как показано на рисунке 6, кривая заряда и разряда при постоянном токе на первом круге с положительным графитовым электрохимическим слоем PF6 - аниона, с коэффициентом заряда на первом круге 143 мАч / г и коэффициентом разряда на первом круге 92 мАч / г. Кроме того, кривая заряда и разряда показывает больше платформ, что указывает на PF6-Процесс входа между слоями графита осуществляется в сегменте « порядк».

С помощью рентгеновских дифракционных испытаний на графитовых электродах мы можем получить несколько (001) пиков дифракционной прочности и местоположения соединений между слоями графита.

В процессе зарядки PF6-Анионные электрохимические пластовые графитовые положительные полюсы образуют графитовое пластовое соединение GIC, как показано на рисунке 7, а начальные графитовые пики с левой и правой сторон образуют GIC (00n + 1) и (00n + 2) дифракционные пики.

В процессе зарядки и разрядки тетрафторборат корня BF4 - анион - интерполяционный графит, растворенный молекулярным растворителем циклосульфосфата SL, образует графитовое пластовое соединение GIC, как показано на рисунке 10, начальный графитовый пик с левой и правой сторон образует GIC (00 n + 1) и (00 n + 2) дифракционные пики (00 n + 2) с левой и правой сторон, образующих GIC, постепенно исчезают, дифракционные пики возвращаются в исходное положение графита, а дифракционная прочность кристаллической поверхности (002) значительно снижается.

На рисунке 8, 10 показана функция суперпозиции смещения в программном обеспечении для анализа управления CrystalX в сочетании с рентгеновским дифракционным прибором FRINGE. Эта функция помогает пользователям сравнивать различные исторические данные, особенно для диаграмм, где происходят фазовые сдвиги, которые могут интуитивно отражать различия в картах и быть ясными.