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极在电池循环过程中发生的结构变化。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，于电池充放电过程中进行研究，从而实现这一目标。第二步是在光束线上，根据时间及工作条件的变化，对测试电池进行数据采集。

接下来，对数据进行处理和分析，以观察作为充电状态函数的结构变化。通过精修衍射数据和结果解读，可以获得有关电极工作机理的深入信息，包括相变和降解过程。与传统的X射线粉末衍射等现有方法相比，该技术的主要优势在于信号强度更高，数据采集速度更快，从而实现快速获取数据。

这使我们能够实时监测器件。在充放电过程中，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X射线衍射技术使我们能够获取电池工作过程中结构变化、相变以及杂质形成的信息。这些信息可能对电池性能产生深远影响。我是同步辐射设施中的一名光束线科学家。

我与电池科学家合作，共同设计和研究实验，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实际应用中大规模电池的运行情况。

演示这些实验步骤的是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员Ang, Hong Yi和Mona，研究生Lei Chang，以及实验室科学家Dr. Guang Chen。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，以确保颗粒尺寸分布均匀。本实验中，采用镍、锰、钴或NMC，以实现粉末的最佳装填。

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准。完成后，关闭仪器门，设置折射率测量的适当参数，然后开始扫描。数据采集完成后，分析图谱以确认是否存在杂质，并判断其是否与标准物质或计算图谱一致。

正确操作完成后，关闭折光仪并取下样品，以确定样品颗粒的形貌。使用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。通过将碳导电胶带粘附在铝制样品台上，制备用于扫描电子显微镜的样品。

然后将粉末撒在粘性面上。通过将厨房磁铁置于样品上方，确保组装件无磁性。接着，通过气锁将样品插入扫描电镜腔室并开始抽真空。

真空建立后，开启加速电压。在低倍模式下工作，并使用自动调节亮度和对比度的按钮来调整图像。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。利用X轴和Y轴控制，拍摄所需图片并保存。

完成后，关闭扫描电镜（SEM）并通过气闸取出样品。首先配制含5至6 wt%聚氟化碘乙烯的溶液。接着，将240毫克NMC（活性材料）与30毫克乙炔黑（导电添加剂）混合，在300 RPM转速下研磨两小时。

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。接着，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。

取出电极并开始干燥过程。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，电极呈现此状态。此时，将其裁剪或冲压至适用于扣式电池的尺寸。

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，以去除所有残留的水分。

电极现已准备好用于纽扣电池。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。

在手套箱中组装纽扣电池。将各组件依次放入电池壳中：先放入电极，随后是隔膜、电解液，最后用金属箔密封，使用纽扣电池压片机压紧，用于NC二号X射线衍射实验。

在电池两侧安装极耳，然后将装置密封于聚酯袋中以进行实验的这一部分。在同步辐射设施中预约并确保获得光束时间。

安全地将样品运送至实验地点并进行实验准备。首先校准光束以确定合适的光束条件，然后测量镧系氢化物的参考图谱。

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。将电位仪的导线连接至控制端的设备上。

在开始电化学实验之前，先确定最佳的光束条件和曝光时间。采集初始图谱后，启动电化学实验。随后收集数据并实时监测实验过程。

该原位X射线衍射数据来自一个含有锂负极和金属氧化物正极的电池。该正极属于一类被称为镍锰钴氧化物（NMC）的电极材料。在完成标定并将环形图样转换为线扫描后，显示了充电过程（黑色轨迹）和放电过程（绿色轨迹）。

每次扫描代表系统在某一时刻的充电状态。在恒定电流下，蓝色标记的峰源于铝制集流体，红色标记的峰源于光路中的聚合物封装袋和隔膜。

电池中的锂对X射线本质上是透明的。由于锂含量的变化导致晶胞参数发生改变，因此归属于电池活性材料的衍射峰已被标出。该相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nstitute实验。也可采用其他方法，如X射线吸收光谱，以回答更多问题，例如材料结构及过渡金属的氧化还原态如何随充电状态而变化。观看本视频后，您应能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所需的X射线衍射图谱。