Small Methods:实验室规模的原位XRD技术—设计、应用和展望

充分理解电池材料在充放电过程中的反应机理对提高电池的电化学性能和安全性是至关重要的,原位XRD技术(in situ XRD)正是一种可以实现实时监测电极材料相变和结构演变的有效测试手段。由于不同极片间的物理差异性和拆电池、极片洗涤、转移等操作过程的影响,非原位XRD测试往往不能很好的还原电池材料在充放电过程中真实状况,比如不同极片上活性材料的质量和分布不尽相同,这会导致不同充放电状态下的XRD峰强可比性较差;不同极片在拆卸洗涤后往往处于不同褶皱状态,所得到的XRD峰则会发生不同程度的偏移。而原位XRD测试的整个过程是对同一个材料的同一片区域位置进行扫描分析,因此得到的信息(无论是晶胞参数、峰强度,还是其他参数)具有较高的可比性,可以得到一系列实时的结构变化信息,有助于深入认识材料在充放电过程中发生的反应,对如何改进材料具有较高的指导意义。

图 1. (a)原位电池设计示意图; (b)四种典型电池反应机理的原位XRD图谱示意图:单相反应、相变反应、合金化反应、转化反应。

近期,宁波大学材料科学与化学工程学院舒杰教授课题组基于十余年来在原位XRD设计、搭建和研究上的经验和心得,并结合该技术的最新研究进展,应邀在Wiley旗下刊物Small Methods撰写题为“Lab-Scale In Situ X-Ray Diffraction Technique for Different Battery Systems: Designs, Applications, and Perspectives”的综述性文章。该综述概述了电池体系中四种典型的原位反应机理及特点,总结了原位电池的设计(尤其是X射线窗口)及相关实验细节,系统介绍了原位XRD技术在不同电池体系中的应用,并对其研究前景进行了展望。基于该综述的归纳和阐述,作者希望这篇综述能够对原位XRD技术感兴趣的研究学者起到一定的借鉴作用。

相关文章在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900119)上。论文通讯作者为宁波大学舒杰教授,第一作者为硕士研究生夏毛婷。