X射線衍射(XRD)在鋰電行業(yè)中的應用

鋰電池已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?。鋰電池的使用范圍十分廣泛，在消費品領域主要應用在數(shù)碼產(chǎn)品、手機、移動電源、筆記本等電子設備中。在工業(yè)領域，主要在應用在醫(yī)療電子、光伏儲能、鐵路基建、安防通訊、勘探測繪等領域。在特種領域如特種航天中也會應用到。

近年來，鋰電池在下游消費品領域發(fā)展迅速，其中筆記本和手機是鋰電池應用中較為廣泛的兩大應用領域。從長遠來看，隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)的扶持，電動汽車的動力電池應用將逐漸成為鋰電池的超大需求產(chǎn)業(yè)之一。

隨著我國智能化、信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國鋰電池應用領域也得到擴展。在國家政策的驅(qū)動下，新能源汽車有著廣闊的發(fā)展前景，而作為核心部件的鋰電池同樣迎來發(fā)展的大好良機。

高質(zhì)量的、優(yōu)秀的、安全的鋰電池產(chǎn)品對各行各業(yè)的影響都十分巨大，目前各大鋰電生產(chǎn)企業(yè)均投入大量的資金進入研發(fā)，以期實現(xiàn)更高能量密度，穩(wěn)定性更強，壽命時間更長的電池。

X射線衍射(XRD)技術(shù)廣泛應用于鋰離子電池研究、生產(chǎn)和失效分析中。從原料礦物到電極材料，XRD是對材料中物相進行定性和定量分析的常規(guī)手段。對于負極材料石墨，影響電池性能的重要參數(shù)石墨化度需要用XRD進行表征；同時，XRD還可以通過對鋰離子電池生產(chǎn)中的負極取向程度的分析，來決定極片壓實工藝。XRD在鋰電行業(yè)研發(fā)及質(zhì)量控制中主要有以下幾方面：

一、負極材料的石墨化度分析及克容量估算

碳材料是目前鋰離子電池理想的負極材料。碳材料的種類決定著鋰離子電池的嵌鋰電位、工作電壓可逆性能等。而克容量是衡量碳材料的一個重要指標，但是測試克容量一般是做成電池測試，需要花費不少時間，測試值穩(wěn)定性也比較差。石墨化度是指在含有石墨晶體及各種過渡態(tài)碳的復合材料中，石墨晶體所占的比例。理論上可以憑借石墨化度來估算碳材料的克容量。通過XRD可以測得石墨晶體所占比例，從而計算出碳材料的克容量。

二、三元正極材料表征

鋰離子電池的比容量、循環(huán)性能和安全性能與材料的晶體結(jié)構(gòu)有密切關系，研究三元材料在不同溫度狀態(tài)下的穩(wěn)定性及在電化學循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)變化，有助于更好理解三元材料充放電機理和電化學過程。

XRD是專門用于分析材料晶體結(jié)構(gòu)的設備，能夠通過精修得到三元材料的晶胞參數(shù)和離子混排信息，在三元材料制備工藝和材料摻雜改性方面以及三元材料的原位高溫熱性能等方面廣泛應用。原位充放電XRD實驗可以直接研究紐扣結(jié)構(gòu)鋰離子電池材料在充放電過程中正負極材料的結(jié)構(gòu)變化和相轉(zhuǎn)化。

三、電芯失效分析

鋰離子電池在使用過程中，經(jīng)常由于過充、過放、短路、高溫等原因造成電芯壽命減少，甚至失效。因此應用XRD技術(shù)來進行鋰離子電池的熱失效分析，如從燃燒的殘留物進行XRD分析，初步判斷失效原因。

意大利GNR公司是一家老牌歐洲光譜儀生產(chǎn)商，其X射線產(chǎn)品線誕生于1966年，經(jīng)過半個多世紀的技術(shù)開發(fā)和研究，該產(chǎn)品線已經(jīng)擁有眾多型號滿足多個行業(yè)的分析需求。

可用于桌面的臺式衍射儀ERUOPE、性價比高的大功率衍射儀APD 2000 PRO、功能強大的多功能高分辨率X射線衍射儀EXPLORER。根據(jù)實際檢測項目不同，均可應用于鋰電行的研發(fā)生產(chǎn)及質(zhì)量控制中。