原位XRD表征作為一種XRD的衍生測試手段，能夠滿足非原位XRD對晶材料物相分析;而且還能夠實現對晶態材料、二次電池元器件進行原位高低溫、充放電特殊氣氛等條件下的晶體結構測試及分析。鯉離子電池電極材料的性能主要取決于其組成及結構。系統研究材料的組成結構及性能間的構效關系，探索材料在充放電過程中的結構演化、離子及電荷轉移，對深入了解電極材料的儲鉀機制，優化材料化學組成、晶體結構及形貌有一分重要的意義。

測試原理

基于布拉格定律(Bragg’s Law)，原位X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)可以在電池的充放電循環過程中，實時監測鯉離子電池活性材料物相及其晶格參數的變化過程，為深入研究電池的運行及失效機理提供重要的實驗數據支持。根據X射線信號采集器相對于入射X射線源的位置，原位XRD裝置主要有反射式與透射式兩種設計。常規實驗室通常采用反射式裝置，其入射X射線與信號采集器位于電池的同一側。因此，所采集的信號主要來源于暴露在X射線的電極表。透射式的原位XRD的入射X射線則可以直接穿透整個電池。

↑ 原位X射線行射技術(In-situ XRD) ↑

測試裝置

原位電池裝置對于原位XRD測試至關重要對于反射式的原位XRD表征，原位電池裝置通常由三個主要部分組成:不銹鋼電池殼體、X射線穿透視窗(窗) 和離子電池材料同時，它還需要一些其它部件，如隔板、聚四氟乙烯套環、彈簧、墊圈等。所有部件的組合確保了鉀離子電池材料的緊密接觸、耐電解質侵蝕性和整個電池裝置的密封性。對于入射式的原位XRD表征，研究者可以采用軟包電池進行測試，入射X射線可以穿透軟包電池，并同時獲得正極材料和負極材料在循環充放電過程中晶體結構演化信息。

↑ 廈門大學原位XRD電池充放電系統 ↑

↑ XRD軟包電池原位變溫充放電測試 ↑

↑ XRD軟包電池原位變溫充放電裝置工作圖 ↑

實例展示

以下為采用NCM811/Graphite軟包電池進行原位XRD實驗的實例。

圖中展示了軟包電池原位XRD實驗時的實驗平臺搭建方式，此案例中軟包電池置于開有kapton膜視窗的裝置中以實現環境溫度的控制。圖中也展示了循環充放電過程中的NCM811材料和石墨材料晶體結構的變化，其中NCM811的 (003) 峰最初移動到較低的角度，這表明正極材料從H1到H2的相變，而正極材料晶粒C軸發生膨脹。隨著進一步充電至充電上截止電壓，(003)峰向右側移動到更高的角度，這表明正極材料從H2到H3，此時正極材料晶粒正沿C軸收縮。如圖所示，石墨材料的峰位移動則代表著石墨與鯉碳化合物間的可逆變化。實例中展示了兩圈循環充放電過程中的原位XRD數據，結果展現了正負極材料在脫嵌鯉過程中的可逆變化，該方法還可應用于長時間循環過程中鯉離子電池活性材料品體結構演化研究。

↑ 軟包電池原位變溫充放電X衍射圖譜 ↑

↑ 軟包電池原位變溫充放電X衍射圖譜 ↑