Diffrazione di raggi X in situ

Basato sulla legge di Bragg, in situDiffrazione di raggi X(XRD) può essere utilizzato per monitorare in tempo reale il cambiamento di fase e i suoi parametri reticolari nell'elettrodo o nell'interfaccia elettrodo-elettrolita durante il ciclo di carica-scarica di una batteria. Fornisce importanti prospettive e supporto dati per ulteriori studi sul funzionamento della batteria e sul meccanismo di guasto.

A seconda della posizione del collettore del segnale a raggi X rispetto alla sorgente di raggi X incidente, esistono due modelli principali di dispositivi XRD in situ: riflettenti e trasmessi.

I laboratori convenzionali utilizzano tipicamente dispositivi riflettenti (come quello sopra (a)) in cui i raggi X incidenti sono posizionati sullo stesso lato della batteria del collettore del segnale, quindi il segnale raccolto proviene principalmente dalla superficie dell'elettrodo esposta al Raggi X.I raggi X incidenti trasmessi in situ XRD (come mostrato nella Figura (b)) provengono tipicamente da sorgenti di radiazione di sincrotrone, hanno un'intensità estremamente elevata, possono penetrare direttamente nell'intera batteria e migliorare significativamente il rapporto segnale-rumore e la velocità di acquisizione del segnale . Le prestazioni elettrochimiche della batteria interamente allo stato solido dipendono principalmente dalle prestazioni dell'elettrolita solido e dalla sua interfaccia con l'elettrodo, quindi la sintesi e la caratterizzazione controllabili dell'elettrolita solido sono di grande importanza per lo sviluppo della batteria interamente allo stato solido.

1. Il team di Stefan Adams presso l'Università Nazionale di Singapore ha utilizzato la radiazione di sincrotrone in situXRDper monitorare in tempo reale il processo di sintesi ad alta temperatura del LAGP, un tipico elettrolita solido NASICON, e hanno scoperto che l'alluminio può essere incorporato efficacemente nell'LGP solo se sinterizzato a 800 ℃ per un tempo sufficientemente lungo. Pertanto, si ottiene un elettrolita solido LAGP in fase pura con conduttività ionica più elevata e una sinterizzazione a temperatura più elevata (ad esempio 950 ℃) provoca la dealluminazione dello strato esterno di particelle LAGP e la comparsa di una fase non pura.

Safanama D, Sharma N, Rao RP, et al. Evoluzione strutturale del Li 1+ x Al x Ge 2− x (PO 4) 3 di tipo NASICON utilizzando la diffrazione di raggi X su polvere di sincrotrone in situ[J]. Giornale di chimica dei materiali A, 2016, 4(20): 7718-7726.

2. Sun Xueliang et al., Università dell'Ontario Occidentale, Canada, hanno studiato la stabilità dell'elettrolita solido alogenuro Li3InCl6 nell'aria utilizzando la radiazione di sincrotroneXRD in situe struttura di assorbimento del lato vicino dei raggi X in situ (XANES), ecc., e ha rivelato il meccanismo della sua degradazione della conduttività ionica dovuta all'assorbimento di acqua.

Li W, Liang J, Li M, et al. Svelare l'origine della stabilità all'umidità degli elettroliti alogenuri allo stato solido mediante tecniche analitiche a raggi X di sincrotrone in situ e operando[J]. Chimica dei materiali, 2020, 32(16): 7019-7027.

3. Materiali dell'elettrodo negativo. Il team di Neeraj Sharma presso l'Università del Nuovo Galles del Sud in Australia ha utilizzato la radiazione di sincrotrone XRD in situ per studiare la mezza batteria a film sottile basata sull'elettrolita solido LiPON e ha monitorato il processo di trasformazione graduale del bismuto litio in bismuto durante la ricarica in tempo reale.

Goonetilleke D, Sharma N, Kimpton J, et al. Approfondimento sulla formazione delle leghe di litio nelle batterie al litio a film sottile completamente allo stato solido[J]. Frontiere nella ricerca energetica, 2018, 6: 64.

L'XRD in situ, in particolare l'XRD con trasmissione in situ basata sulla sorgente di radiazione di sincrotrone, è una tecnologia di monitoraggio in tempo reale senza contatto e non distruttiva, utilizzata principalmente per studiare i cambiamenti nella fase ostruttura di cristallo degli elettrodi della batteria a stato solido o degli elettroliti a stato solido in diversi stati di carica e scarica, nonché i cambiamenti risultanti dal ciclo continuo di carica e scarica. Il meccanismo di carica e scarica e il meccanismo di guasto della batteria a stato solido possono essere rivelati in modo approfondito.

Tuttavia, a causa della scarsità delle risorse di radiazione di sincrotrone, la maggior parte degli esperimenti XRD in situ possono essere eseguiti solo mediante scansione a riflessione attraverso apparecchiature XRD convenzionali in laboratorio, il che riduce notevolmente la quantità e l'accuratezza delle informazioni che possono essere ottenute e prolunga notevolmente il tempo di scansione richiesto e richiede una progettazione accurata delle batterie in situ a causa delle limitazioni della profondità di rilevamento XRD convenzionale.