使用同步辐射技术表征锂离子和钠离子电池的电极材料

以下实验的总体目标是实时研究电池在循环过程中电极的结构变化。通过组装经过改造的测试电池，使电极过程能够在同步辐射设施的光束线上，对处于充放电状态的器件进行研究，从而实现这一目标。第二步是在光束线上，针对测试电池在不同时间点和工作条件下收集数据。

接下来，对数据进行处理和分析，以观察作为荷电状态函数的结构变化。通过精修衍射数据和结果解读，获得能够揭示电极工作机理的结果，包括相变过程和降解机制。与现有的传统方法（如X射线粉末衍射）相比，该技术的主要优势在于信号强度更高、数据采集速度更快，从而实现数据的快速获取。

这使我们能够实时监测设备。在充放电过程中采用原位方法有助于解答电池领域中的关键问题。电池的性能、寿命和安全性均依赖于维持电池各组分的化学和物理完整性。

同步辐射技术结合X射线衍射方法，使我们能够在电池工作过程中获取结构变化、相变以及杂质形成的信息。这些信息对电池性能可能具有深远影响。我是同步辐射设施中的一条光束线科学家。

我与电池科学家合作设计和开展实验，协助数据采集、分析以及最终结果的解释。该方法的可视化演示非常有帮助，因为电池组装过程中的细节对实验成功至关重要。我们希望确保该实验能够代表现实世界中大规模运行的电池系统。

为我们演示实验操作的是Ang医生、Hong Yi医生和Mona医生。Lei Chang是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员，一名研究生，以及实验室的科学家Guang Chen博士。第一步是使用X射线粉末衍射对目标材料进行表征。

通过研磨粉末并过筛，制备两到三克样品，以确保颗粒大小分布均匀。本实验采用镍、锰、钴或镍锰钴（NMC）材料，以实现粉末的最佳铺展效果。

从X射线衍射仪的样品 holder 上取下背板。将样品 holder 紧贴玻璃片，用样品粉末填充腔体。重新安装背板，翻转 holder 并移除玻璃片。

现在将样品架插入折射仪中并正确对齐。完成后，关闭仪器门，设置折射率测定的适当参数，然后开始扫描。数据采集完成后，分析图谱以识别是否存在杂质，并判断其是否与标准物质或计算图谱一致。

操作完成后，关闭折光仪并取下样品，以确定颗粒形貌。采用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。通过将碳导电胶带粘附到铝制样品台上来制备SEM样品。

然后将粉末撒在粘性面。通过将厨房磁铁置于样品上方，确保组装件无磁性。接下来，通过气闸将样品插入扫描电镜（SEM）腔室并开始抽真空。

建立真空后，开启加速电压。在低倍模式下工作，并使用自动对比度和亮度按钮调节图像。通过手动在 X 和 Y 方向上扫描，找到感兴趣的区域。

找到目标区域后，选择扫描电镜模式，选定探测器，然后设置必要的工作距离，接着调节对比度和亮度。

使用Z轴控制调焦图像。对准光束并校正像散和焦距。通过X轴和Y轴控制，拍摄所需图像并保存。

实验结束后，关闭扫描电镜（SEM），并通过气闸取出样品。制备过程首先配制浓度为5至6 wt%的聚偏氟乙烯（PVDF）溶液。接下来，将240毫克的NMC（活性材料）与30毫克的乙炔黑（导电添加剂）混合，在300 RPM转速下搅拌混合2小时。

研磨完成后，取180毫克研磨后的混合物，并加入0.4毫升NMP溶液。接下来，准备带有集流体材料的刮刀，在本例中为碳涂层铝箔。使用刮刀将电极浆料涂布到集流体上。

移除电极并开始干燥过程。在本视频中，干燥前使用了加热灯。

电极呈现如图所示的外观。在加热灯下放置约30分钟后，电极的外观如图所示。此时，将电极剪切或冲压至适用于纽扣电池的所需尺寸。

称量每个电极。将电极转移至带有加热真空过渡腔的惰性气氛手套箱中。利用过渡腔进行额外的12小时干燥步骤，以去除所有残留水分。

电极现已可准备用于纽扣电池。将锂箔和微孔隔膜裁剪至所需尺寸。在内层气氛中收集所有所需组件。

用于组装纽扣电池的手套箱。现在将各组件依次放入电池中：先放入电极，随后是隔膜、电解液溶液，最后用箔片密封电池，使用纽扣电池压片机压紧，以用于NC两电极X射线衍射实验。

在电池两侧安装标签。然后将装置密封在聚酯袋中，用于实验的这一部分。在同步辐射设施中预约并确保获得光束时间。

将样品安全运输至指定地点并准备实验。首先校准光束以确定合适的光束条件，然后测量镧系元素氢化物的参考图谱。

返回光束线的接入点。通过将装有电池的袋子插入铝制压力板中，继续进行NC两次X射线衍射实验。确保孔位正确对齐，以允许X射线束透过。然后从电位计引出导线，连接至控制端的设备上。

在开始电化学实验之前，确定最佳的电子束条件和曝光时间。采集初始图谱，然后启动电化学实验。收集数据并实时监测实验过程。

该X射线衍射数据来自一个包含锂阳极和金属氧化物阴极的电池。该阴极属于一类被称为镍锰钴氧化物（NMC）的电极材料。在完成校准并将环形图样转换为线扫描后，该电池经历了充电（黑色轨迹所示）和放电（绿色轨迹所示）过程。

每次扫描代表系统在某一时刻的电荷状态。在恒定电流下，蓝色峰值源于铝制集流体，红色峰值则源于光束路径中的聚合物封装袋和隔膜。

电池中的锂对X射线基本上是透明的。由于晶胞参数随锂含量变化，归属于电池活性材料的衍射峰已被标出。该相产生的一些峰与铝制集流体的峰重叠。

在某些情况下，一旦掌握了实验技术，按照本方案，可在光束线上用10至20小时完成一次同步辐射实验。还可采用其他方法，如X射线吸收光谱，以回答更多问题，例如材料结构以及过渡金属的氧化还原状态如何随充放电状态而变化。观看本视频后，您应能够充分理解如何组装用于同步辐射光束线研究的扣式电池，并在电池充放电过程中获取X射线衍射图谱。