In-situ-Röntgenbeugung

Basierend auf dem Braggschen Gesetz, in situRöntgenbeugung(XRD) kann verwendet werden, um die Phasenänderung und ihre Gitterparameter in der Elektroden- oder Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche während des Lade-Entlade-Zyklus einer Batterie in Echtzeit zu überwachen. Es bietet wichtige Perspektiven und Datenunterstützung für die weitere Untersuchung des Batteriebetriebs und der Ausfallmechanismen.

Abhängig von der Position des Röntgensignalsammlers relativ zur einfallenden Röntgenquelle gibt es zwei Hauptkonstruktionen von In-situ-XRD-Geräten: reflektiv und durchgelassen.

Herkömmliche Labore verwenden typischerweise reflektierende Geräte (wie das oben (a)), bei denen sich die einfallenden Röntgenstrahlen auf derselben Seite der Batterie wie der Signalkollektor befinden, sodass das gesammelte Signal hauptsächlich von der dem Gerät ausgesetzten Elektrodenoberfläche stammt Röntgenstrahlen.Übertragene in situ XRD (wie in Abbildung (b) dargestellt) einfallende Röntgenstrahlen stammen typischerweise von Synchrotronstrahlungsquellen, haben eine extrem hohe Intensität, können die gesamte Batterie direkt durchdringen und das Signal-Rausch-Verhältnis und die Signalerfassungsgeschwindigkeit erheblich verbessern . Die elektrochemische Leistung von Festkörperbatterien hängt hauptsächlich von der Leistung des Festkörperelektrolyten und seiner Grenzfläche zur Elektrode ab. Daher ist die kontrollierbare Synthese und Charakterisierung von Festkörperelektrolyten für die Entwicklung von Festkörperbatterien von großer Bedeutung.

1. Das Team von Stefan Adams an der National University of Singapore nutzte Synchrotronstrahlung in situXRDum den Hochtemperatur-Syntheseprozess von LAGP, einem typischen NASICON-Festelektrolyten, in Echtzeit zu überwachen, und fanden heraus, dass Aluminium nur dann effektiv in LGP eingebaut werden kann, wenn es über einen ausreichend langen Zeitraum bei 800 °C gesintert wird. Dadurch wird ein reinphasiger LAGP-Festelektrolyt mit höherer Ionenleitfähigkeit erhalten, und das Sintern bei höherer Temperatur (z. B. 950 °C) führt dazu, dass die äußere Schicht der LAGP-Partikel entaluminiert und eine nichtreine Phase entsteht.

Safanama D, Sharma N, Rao RP, et al. Strukturelle Entwicklung von Li 1+ x Al x Ge 2− x (PO 4) 3 vom NASICON-Typ mittels In-situ-Synchrotron-Röntgenpulverbeugung[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(20): 7718-7726.

2. Sun Xueliang et al. von der University of Western Ontario, Kanada, untersuchten die Stabilität des Halogenid-Festelektrolyten Li3InCl6 in Luft mithilfe von SynchrotronstrahlungIn-situ-XRDund In-situ-Röntgennahseitenabsorptionsstruktur (XANES) usw. und enthüllte den Mechanismus ihrer Verschlechterung der Ionenleitfähigkeit aufgrund der Wasserabsorption.

Li W, Liang J, Li M, et al. Aufklärung des Ursprungs der Feuchtigkeitsstabilität von Halogenid-Festkörperelektrolyten durch In-situ- und Operando-Synchrotron-Röntgenanalysetechniken[J]. Chemistry of Materials, 2020, 32(16): 7019-7027.

3. Materialien für negative Elektroden. Neeraj Sharmas Team an der University of New South Wales in Australien untersuchte mithilfe von In-situ-XRD mit Synchrotronstrahlung die Dünnschicht-Halbbatterie auf Basis des Festelektrolyten LiPON und überwachte den Prozess der schrittweisen Umwandlung von Wismut-Lithium in Wismut während des Ladevorgangs in Echtzeit.

Goonetilleke D, Sharma N, Kimpton J, et al. Einblick in die Bildung von Lithiumlegierungen in Festkörper-Dünnschicht-Lithiumbatterien[J]. Frontiers in Energy Research, 2018, 6: 64.

In-situ-XRD, insbesondere In-situ-Transmissions-XRD auf Basis einer Synchrotronstrahlungsquelle, ist eine berührungslose, zerstörungsfreie Echtzeit-Überwachungstechnologie, die hauptsächlich zur Untersuchung von Phasen- oder Phasenänderungen verwendet wirdKristallstruktur von Festkörperbatterieelektroden oder Festkörperelektrolyten bei unterschiedlichen Lade- und Entladezuständen sowie die Veränderungen, die sich aus dem kontinuierlichen Lade- und Entladezyklus ergeben. Der Lade- und Entlademechanismus sowie der Ausfallmechanismus von Festkörperbatterien können detailliert aufgedeckt werden.

Aufgrund der Knappheit der Ressourcen für Synchrotronstrahlung können die meisten In-situ-XRD-Experimente jedoch nur durch Reflexionsscannen mit herkömmlichen XRD-Geräten im Labor durchgeführt werden, was die Menge und Genauigkeit der erzielbaren Informationen erheblich verringert und die Zeit erheblich verlängert die erforderliche Scanzeit und erfordert aufgrund der Einschränkungen der herkömmlichen XRD-Detektionstiefe eine sorgfältige Auslegung der In-situ-Batterien.