Vorwort

Die Röntgendiffraktion (XRD) ist ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der kristallstrukturellen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien. Darüber hinaus können sie zur Untersuchung chemischer Reaktionsprinzipien verwendet werden. In elektrochemischen Systemen wird XRD verwendet, um neue Elektrodenmaterialien für wiederaufladbare und entladbare Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen. Durch die in situ durchgeführte XRD-Prüfung des Materials während des Laden und Entladungsprozesses können elektrochemische Reaktionsmechanismen durch Veränderungen des Diffraktionsspitzenspiegels ermittelt werden.

Ein Röntgendifferator ist ein Phänomen der Diffraktion durch Röntgenstrahlen in der Probe, der die Lage und Stärke des Diffraktionsspitzes verwendet, um die Kristalltyp, die Kristallfehler, den Gehalt der verschiedenen Strukturphasen usw. des Materials qualitativ zu analysieren. Im Lade- und Entladungsprozess der Batterie verändert sich der Kristalltyp des Elektrodematerials, die Parameter der Zellen usw. Um die spezifischen Änderungen des Elektrodematerials im Lade- und Entladungsprozess der Batterie zu bestimmen, können wir das Elektrodematerial in Echtzeit beobachten mit in situ XRD, um die Zwischenprodukte zu ermitteln, die während der elektrochemischen Reaktion erzeugt werden, durch diese Zwischenprodukte können die Reaktionsmechanismus aufgedeckt werden.

Abbildung 1. (a) Schaubild zum Design der Batterie vor Ort; (b) In situ XRD-Diagramme für vier typische Batteriereaktionsmechanismen:

Einphasenreaktion, Phasenwechselreaktion, Legierungsreaktion, Transformationsreaktion. [1]M. T. Xia, T. T. Liu, N. Peng, R. T. Zheng, X. Cheng, Small Methods 2019, 1900119, 3.

Vorteile von XRD

Im Vergleich zu nicht-in-situ-XRD hat in-situ-XRD folgende Vorteile:

In situ XRD erhalten Echtzeit-Informationen über strukturelle Veränderungen während der Materialreaktion, kann ein tiefes Verständnis der Reaktion des Materials im Lade- und Entladungsprozess haben, wie das Material verbessert werden kann.

Nicht-in-situ-XRD-Tests können oft nicht gut den realen Zustand wiederherstellen, außerdem, wenn der Zustand des getesteten Materials empfindlich für Luft ist, muss das Material in einem isolierten Gerät getestet werden, um den realen Zustand des Materials zu reflektieren.

In-situ-XRD-Tests können in kurzer Zeit eine große Menge an vergleichbaren Informationen erhalten, da der gesamte Prozess des in-situ-Tests die gleiche Position des gleichen Materials ist, so dass die erhaltenen Informationen (unabhängig davon, ob es sich um die Kristallparameter oder die Spitzenstärke oder andere Parameter handelt) relativ vergleichbar sind.

3. Nicht-in-situ-XRD-Informationen sind relativ schlecht vergleichbar und haben hohe Anforderungen an den Betrieb während des Testprozesses, wie zum Beispiel nach der Ablösung und Waschung der Polarblöcke, wenn sich die Polarblöcke in einem Faltenzustand befinden, was zu einer hohen und niedrigen Veränderung der Materialprüffläche führt, der gemessene XRD-Gipfel verschiebt sich, und die entsprechenden Parameter der Krystalline werden sich ändern; Die Qualität und Verteilung der unterschiedlichen polaren aktiven Materialien sind unverzichtlich unterschiedlich, was zu einer schlechten Vergleichbarkeit der Spitzenstärke unter verschiedenen Lade- und Entladungszuständen führt.

Anwendungsfälle

(1) Proben / Proben

Dieses Experiment verwendet den FRINGE Desktop-Röntgendifferator von Suzhou Wave Science Instruments Co., Ltd., um in situ XRD-Tests von Elektrodenmaterialien, die von einer bestimmten Fachgruppe in einer Schule bereitgestellt wurden, nach der Montage durchzuführen.

Abbildung 2. a bis c) Batterie-Montage vor Ort; d) Installationsdiagramm zur Prüfung der Batterie vor Ort

Abbildung 4. Feldfall für in situ XRD-Tests mit FRINGE

2) Prüfung und Analyse

Eine Fachgruppe untersucht die positiven Materialien von Lithium-Ionen-Batterien - Graphitverbindungen zwischen Schichten - und benötigt in situ XRD, um den elektrochemischen Reaktionsmechanismus aufzudecken.

Für Grafitschichtenverbindungen können ihre strukturellen Informationen durch Röntgendiffraktionsexperimente bestimmt werden. Wie in Abbildung 5 gezeigt, wirkt die Grafitschicht im ursprünglichen Graphit durch die Van der Waal-Kraft, deren Abstand d0 etwa 0,335 nm beträgt. Wenn die eingebetteten Arten zwischen den Grafitschichten eintreten, ändert sich die räumliche Anordnung über der vertikalen Grundflächenrichtung. Im Allgemeinen wird das Verhältnis zwischen der Anzahl der Kohlenstoffatome und der Anzahl der Schichten der Insertionsarten als die Anzahl der Verbindungsstufen zwischen den Grafitschichten definiert, um die Tiefe der Insertionsreaktion zu messen. Auf dieser Grundlage besteht eine quantitative Beziehung:

Ich(c)= di+(n-1)d0

Abbildung 5. Schema der Struktur der Intergraphit-Schichten-Verbindungen

Bild 6. PF6-Lade- und Entladungskurve für die erste Kreise der konstanten Strom-Positive der anionischen elektrochemischen Laminated Graphite

Abbildung 7: Grafitschichterverbindung GIC, die durch die PF6-anionische elektrochemische Schichtgraphitpodode beim Laden gebildet wird,

Der ursprüngliche Graphenspitze ist auf der linken und rechten Seite der Diffraktionsspitze (00n+1) und (00n+2), die GIC bilden.

Abbildung 8. In-situ-XRD-Offset-Overlay-Diagramm der CrystalX-Software beim Aufladen von PF6-anionisch-elektrochemischen Schichten von Graphiten

Abbildung 9. BF6 - Erste Kreise der konstanten Strom-Lade- und Entladungskurve der anionischen elektrochemischen Schichtgraphitpositode

Abbildung 10. In situ XRD Offset Overlay Diagramm Darstellung durch CrystalX-Software während der positiven Ladung und Entladung von BF4-anionisch stratifiziertem Graphite bei Molekülerlösung von Ringbutyl SL

3) Ergebnisse und Diskussionen

1, der konstante Strom-Lade-Entladungstest von Li / Graphithalbelektroden wird häufig verwendet, um die vorläufige elektrochemische Eigenschaften des positiven Materials zu charakterisieren, wie in Abbildung 6 gezeigt, ist die erste Strom-Lade-Entladungskurve der PF6-Ionen-elektrochemischen Schichtgraphitpositode, die erste Strom-Ladeverhältnis ist 143mAh / g, die erste Strom-Entladungsverhältnis ist 92mAh / g. Zusätzlich zeigen die Lade- und Entladungskurven mehrere Plattformen, wie PF6-Der Eintritt in die Grafitschichten erfolgt in "Stufen".

Durch den Röntgendiffraktionstest der Grafitelektrode können wir mehrere (001) Diffraktionsspitzenstärken und -positionen von Grafitschichtenverbindungen erhalten.

PF6 beim Laden-Die anionischen elektrochemischen Grafitschichten bilden die Grafitschichtenverbindung GIC, wie in Abbildung 7 gezeigt, wobei der ursprüngliche Graphitspitze auf beiden linken und rechten Seiten den Diffraktionsspitze (00n + 1) und (00n + 2) bildet, der GIC bildet.

Im Laden und Entladungsprozess löst die Tetrafluorborat-Wurzel BF4-Anionen-Interstration-Graphite-Positive wie in Abbildung 10 gezeigt, um die Graphite-Interstration-Verbindung GIC zu bilden, der ursprüngliche Graphitspitze auf der linken und rechten Seite bildet GIC (00n + 1) und (00n + 2) Diffraktionsspitze, während der Entladung verschwindet die linke und rechte Seite bildet GIC (00n + 1) und (00n + 2) Diffraktionsspitze allmählich, die Diffraktionsspitze kehrt zurück in die ursprüngliche Graphitposition und die Diffraktionsintensität der Kristalle verringert sich erheblich.

Abbildungen 8 und 10 zeigen die Funktion des Offset-Overlappings-Diagramms in der CrystalX-Steuerungsanalyse-Software, die mit dem FRINGE-Röntgendifferator von Suzhou Wave kompatibel ist. Diese Funktion hilft den Benutzern, mehrere historische Daten zu vergleichen, insbesondere bei Diagrammen mit Phasenübergängen, die die Unterschiede zwischen den Diagrammen intuitiv und deutlich darstellen können.