原位中子粉末衍射法结合自制锂离子电池的研究

本实验的总体目标是制备一种可用于原位中子衍射实验的可充电电化学电池。首先制备金属锂箔负极、两片隔膜以及一片铝或铜片；第二步是将正极材料浆料涂布于铝或铜片上，该铝或铜片将作为电池的集流体。

然后将导线连接到电极上。接着，将隔膜和电极交替叠放成层状结构，再将这些层卷绕成圆柱形。最后，将卷绕好的电芯插入钒金属外壳中，加入电解液，并密封外壳，同时确保导线外露，以便最终进行原位中子衍射分析。

利用电化学池收集的数据可用于展示电池在电化学循环或工作过程中多种组分的实时结构变化。原位中子衍射实验的主要优势在于，能够以非破坏性方式探测电池整体体相结构，同时研究多个组分，并具备追踪锂、氧等轻元素结构变化的潜力。U芯化学电池使得该实验成为可能，并使研究人员能够使用克级合成材料，相较于构建连合细胞所需的大得多的材料量，显著降低了用量需求。

一般来说，刚接触该技术的研究人员在构建高质量的原位电池时会遇到困难，因为需要在实现高质量中子衍射数据采集的同时优化电化学性能，因此往往需要在电化学性能与获取高质量中子衍射数据的能力之间取得平衡。首先准备正极。正极材料混合物需预先制备，包含聚偏氟乙烯、炭黑和活性物质，用于集流体。使用厚度为20微米的铝箔或铜箔，裁剪成约200毫米×70毫米的尺寸。

取一个比集流体片更大的洁净、平整、光滑的玻璃表面，并将其平放以粘附箔片。在表面滴加几滴乙醇，然后将集流体置于液滴之上。再在箔片上方添加几滴乙醇。

将箔材展平，确保无褶皱。取适量呈半球形的正极浆料，使用缺口高度为1至200微米的刮刀将其涂布于箔材一端。将浆料均匀涂覆在集流体表面。

将浆料均匀涂布于集流体表面后，需在真空烘箱中进行干燥。小心地将箔片从玻璃表面取下，并转移至烘箱中，在升高温度条件下过夜干燥。经过一夜干燥后，将集流体和正极放置于平整表面上。随后，裁切电极的一部分区域，使其尺寸与负极箔片相匹配。

该区域应在一端包含一厘米宽的未涂覆集流体箔片标签。此外，裁剪一块相同尺寸的集流体材料。将涂覆后的集流体置于平板压机中。

将其涂层面朝上放置，并用纸张覆盖。施加100千牛的压力，持续30至60分钟，以提升电池性能。从压机中取出涂覆后的集流体后，将其与未涂覆的集流体材料一同转移至天平。

测量每个部件的质量并进行比较。利用质量差来确定电极混合物的质量，进而确定活性物质的质量。现在应收集各种电池组件和电池外壳。外壳是一个完全由钒制成的管状结构，由于钒在中子粉末衍射数据中几乎不产生信号，因此被选用。

试管一端密封，另一端为带有凹槽的橡胶塞，以便导线穿过。接下来准备将用作负极的金属箔。实验中，电极由金属锂箔制成，并在手套箱中进行操作。

本演示中使用铝箔。选择适当厚度以尽量减少中子吸收，并使用适合此处外壳的箔片，尺寸为 120 毫米 × 35 毫米。

准备好箔材后，选择电池的隔膜。本视频中使用了两片聚乙烯膜，其尺寸略大于负极，约为140毫米×40毫米。

接下来，将集流体和正极移动到平坦的工作台面上。将其平放后，取一根直径小于两毫米的铝棒或铝丝，放置在集流体未覆盖的一端。将极耳的箔片紧密地缠绕在铝棒上。

不要滚动正极区域。接下来处理负极、金属箔和一段铜线，以类似方式将两者一起滚动。以下是制备完成的电极。

在电池组装前所需的最后组件包括电池的电解液溶液和牙科用石蜡。为密封外壳，需将外壳、正极隔膜、电解液和石蜡转移至充满氩气的手套箱中进行电池组装。在本视频中，电池组装将在手套箱外进行，随后再继续后续步骤。

确保工作台面为非金属材质。开始电池组装时，首先将一条隔膜条叠放在另一条隔膜上方。然后将集流体放置其上，使正极朝上，铝棒位于一端。接着放置第二条隔膜条。

最后，将负极置于顶部，使其缠绕铜线的一端与铝棒同侧。从铝棒和铜线所在的一端开始，将所有层紧密地一同卷起，在卷绕过程中保持紧密。

保持各层对齐，并确保两个电极不相互接触。卷绕完成后，检查隔膜外层部分，应完全包裹住卷体，使电极被完全覆盖，不会与钒电池外壳接触。

将卷好的电极堆叠插入钒金属罐中，使导线从顶部伸出，铜导线和铝棒应超出罐口两到三厘米。逐滴加入电解液，共使用1.5毫升。加入电解液后，用橡胶塞将罐口密封，并在顶部及导线塑料护套周围熔化牙科蜡进行封固。

密封罐体后，组装即告完成。将电池水平放置，并静置老化12至24小时。图中以黑色十字显示的原位中子粉末衍射图谱数据来自含有LSTN铜和锂的电池。

在电池放电之前，使用多相精修对电池进行了建模，拟合结果以穿过数据点的红线表示。底部的绿色曲线显示了数据与模型之间的差异。垂直条线为衍射峰标记，其中锂用蓝色表示，铜用红色表示，LSTN用黑色表示。

中子波长约为1.4埃。该数据为LSTN在循环过程中1 1 5衍射峰的测量结果。第一帧显示的是半高全宽，单位为度。

第二个是任意单位的峰高，第三个是散射角。所有数据均以时间为函数给出。

请注意，随着锂含量的变化，峰宽测量值与峰高呈相反趋势变化。观察到的可逆展宽表明可能存在两相行为，也可能暗示可逆对称性。其他图表显示了晶格参数和电池电势随时间的变化情况。

棕色条形图中高亮的区域表示放电电压低于1伏特的时间段，这与两相区的开始相对应。红色条形图高亮了电池允许弛豫且其电位达到平衡的时间区间。

该操作过程中最重要的方面是，务必确保电池各层之间保持良好接触，同时确保任一电极彼此之间或与电池外壳之间均不发生接触。观看本视频后，您应能够充分掌握如何构建高质量的原位卷绕式电化学电池，用于中子衍射实验。祝您实验顺利。