軟包電池的原位XRD分析(電池原位透射分析)

軟包電池的原位XRD分析

采用EIGER2 R 500K二維探測器分析表征三元軟包電池

軟包電池由于其高效的形狀和輕巧的結構，已經(jīng)成為工業(yè)標準的電池設計。原位分析可以在電池循環(huán)過(guò)程中同時(shí)分析正極和負極變化，從而來(lái)判斷電池的性能。本實(shí)驗報告展示了采用D8 Advance和EIGER 2 R 500K 二維探測器對三元軟包電池進(jìn)行原位分析的實(shí)驗。

 

本實(shí)驗采用的軟包電池是由單層的三元材料(LiNixMnyCozO2) (67 µm)涂布在鋁箔上 (15 µm)，隔板厚度為40 µm， 負極石墨層（82μm）涂布在銅箔上（9 µm）。

電極浸泡在LiPF6 電解液中，并被包裝在一個(gè)聚合物-鋁的復合物袋中。軟包電池被放置在衍射儀的中心，并由兩個(gè)夾具夾住。整個(gè)軟包電池的厚度約為920 µm。在透射模式中使用了鉬靶，而不是更為常見(jiàn)的銅靶，從而減少了軟包電池對X射線(xiàn)的吸收。EIGER2 R 500K的厚硅傳感器非常適用于從Cr到Mo的波長(cháng)，在產(chǎn)生高信號的同時(shí)，通過(guò)最大限度地減少電荷共享的影響來(lái)減少背底。

圖 1: 充/放電曲線(xiàn)顯示電池電壓（紅色）與電流（藍色）的變化過(guò)程

以0.2C的電流充放電兩個(gè)循環(huán)（5小時(shí)充電，5小時(shí)放電），總過(guò)程需要20小時(shí)。軟包電池以恒定的電流充電，充/放電曲線(xiàn)如圖1所示。

 

衍射數據在充/放電循環(huán)過(guò)程中被收集。對于這個(gè)特定是實(shí)驗，在透射模式下收集7-32°2θ范圍內的衍射花樣。這個(gè)角度范圍通過(guò)EIGER2 R 500K二維面探測器可以一次性獲得?？梢詫?shí)現快速的數據采集，每個(gè)衍射圖案僅需要3分鐘，最終在20個(gè)小時(shí)內可以采集400個(gè)衍射花樣。細致的時(shí)間分辨使得在電池循環(huán)過(guò)程中的物相結構變化能夠精確、詳細的被捕捉到。數據質(zhì)量好、信號強度高，數據采集時(shí)間可以較少到1分鐘以下

圖 2: 通過(guò)DIFFRAC.EVA獲得的兩個(gè)充放電循環(huán)的等強度圖

圖 3: 用于原位充放電實(shí)驗的D8 ADVANCE 配置

在充電過(guò)程中，Li+離子從正極 電極遷移到負極，在那里它們將嵌在石墨層中。這一個(gè)過(guò)程在放電時(shí)恰好相反。圖2中的等強度圖顯示，相的組成在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生了可逆的變化。 圖4a顯示了在2.7V（放電狀態(tài)）下拍攝的衍射花樣的定性分析。圖4b顯示了在4.3V（充電狀態(tài)）。正如預期的那樣，LiC6和其他由Li嵌入產(chǎn)生的Li/C相在充電狀態(tài)下存在（圖4a），但在放電狀態(tài)下沒(méi)有（圖4b）。

圖 2: 通過(guò)DIFFRAC.EVA獲得的兩個(gè)充放電循環(huán)的等強度圖

除了這些定性信息，還可以通過(guò)Rietveld精修獲得更詳細的信息。一個(gè)典型的原位實(shí)驗將包括幾百甚至幾千個(gè)充電/放電周期，因此自動(dòng)批處理評估對于有效地分析大量的衍射圖案是不可少的。在這個(gè)實(shí)驗中，所有400個(gè)衍射花樣通過(guò)DIFFRAC.TOPAS 軟件的批量處理模式來(lái)分析。為了進(jìn)行準確的Rietveld精修結果，軟包電池結構的設計必須考慮到峰的強度校正、峰形校正和位置校正等因素。

圖 4a: 用DIFFRAC.EVA對2.7V（放電狀態(tài)）下收集的衍射圖案進(jìn)行定性相分析。

y軸以平方根的形式顯示，以強調微量相的弱衍射峰。9.5° 2θ的峰值來(lái)自正負極之間的隔膜

圖  4b: 用DIFFRAC.EVA對4.3V（帶電狀態(tài)）下收集的衍射圖案進(jìn)行定性相分析。

y軸以平方根形式顯示，以強調微量相的弱衍射峰。9.5° 2θ的峰值來(lái)自正負極之間的隔膜

圖 5: 石墨和NMC晶格參數的變化是兩個(gè)充電/放電周期的荷電狀態(tài)的函數

圖5展示了NMC和石墨在兩個(gè)充電/放電周期中的晶格參數的變化。

 

在充電過(guò)程中，鋰在層狀石墨結構中的嵌入最終導致了石墨c晶格參數的快速擴張，并形成了LiCX（X=24,12,6），并隨著(zhù)充電的繼續而被識別出。

圖 6: NMC的分層結構;Li(黃色)，O2-(紅色)，M(藍色)

有趣的是，NMC a-和c-晶格參數在循環(huán)過(guò)程中表現出相反的行為。 由于Li從NMC轉移到石墨，在充電過(guò)程中，a晶格參數減小。c晶格參數在充電過(guò)程中表現出較強的初始增長(cháng)，然后在達到最大容量之前出現下降。這種行為與NMC的分層結構有關(guān)。圖6顯示，金屬原子（Ni、Mn和Co）在MO6八面體層中沿c軸堆疊排列，Li原子位于其間。

在充電過(guò)程中，Li脫嵌，導致強烈的O-O靜電排斥。因此，c晶格參數迅速擴大。當達到較高的電荷水平（>4V時(shí)），隨后的晶格參數c減少可能與氧向過(guò)渡金屬的電荷轉移有關(guān)，這將減少O-O靜電斥力。

同時(shí)，過(guò)渡金屬的氧化狀態(tài)增加，降低了金屬離子的半徑，導致M-O的結合力更強。這主要影響到ab平面上的MO6層，并解釋了a晶格參數的下降。

 

本實(shí)驗報告表明，使用配備Mo靶和EIGER2 R 500K探測器的D8 ADVANCE衍射儀對電池材料進(jìn)行原位分析，可以獲得大量的結構信息。高效的數據收集水平可達到細致的時(shí)間分辨，提供關(guān)于電池循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的結構變化的詳細數據。