理学X射线解决方案在锂离子及固态电池研发中的应用

在充电/放电过程中采用X射线衍射仪(XRD)进行 operando测试（原位工况测试），可以确定充电/放电过程中的晶体相变行为。这可用于阐明充电/放电机制，并估算电池容量衰减情况。此外，由于叠层电池的测量通常采用透射法，因此可以观察到正负极的信息。

针对在复杂温变环境中工作的车载电池等，理学推出了温控与充放电同步测量系统。该系统不仅能精确调节实验温度，更能在充放电过程中实时进行 X射线衍射（XRD）测量。通过这种多物理场的联用分析，科研人员可以直观、精准地验证电池材料在任意工作温度下的晶相变化行为，从而确保其结构稳定性。

正极材料可通过固相法烧制合成。采用原位 X 射线衍射仪（XRD）可以在样品升温的同时进行测量，从而得以详细研究烧结过程。

在使用铜靶 XRD 中，由于含有过渡金属元素正极材料衍射图的背底通常很高，因此微量杂质相峰的检测比较困难。与传统检测器相比，XSPA-400 ER 本身的高能量分辨率特性能够有效抑制来自样品的 X 射线荧光从而降低衍射的背底强度进一步提高测量的灵敏度。

普通正极材料的化合价会影响电池性能。因此我们常常采用 X 射线吸收精细结构谱（XAFS）和化学分析用电子谱（ESCA）对这些材料进行分析。使用 X 射线衍射仪（XRD）及价键和理论（BVS）方法，可以根据原子间距离推断化合价。此外，运用 BVS 方法还能通过明确锂离子容易转变为单价离子时所对应的原子间距离，进而推导出锂离子的扩散路径。

同步辐射 X 射线吸收精细结构谱（XAFS）通常用于 NCM 正极中过渡金属元素的价态分析。X 射线发射光谱仪（XES）也可以进行类似的评估。根据 XES 光谱中镍、钴和锰的化学位移，可以评估成键态的变化。

负极材料硅是一种高容量材料。为了提高电池寿命，必须将粒径控制在几十纳米以内。在粒径小于或等于 100nm 的情况下，可利用 X 射线衍射仪（XRD）计算晶粒尺寸，通过 X 射线小角散射仪（SAXS）计算颗粒尺寸。

本例通过对SiO-C复合负极材料首次充放电测试过程中峰位移动和峰形变化，展示理学XES在锂离子电池负极材料中的应用。

全固态钠离子电池是一款预计成本将低于锂离子电池并具有更快充放电性能的下一代电池。这里分享一个关于该电池充放电的XRD跟踪测试结果。测试全程我们对全固态电池持续施加压力，使离子更容易在固体中移动。最终通过原位测量结果验证了全固态钠离子电池的性能。

硫化物固态电解质（LPS）的晶体结构与其锂离子电导率有关。然而，由于 LPS 在接近室温时结晶度较低，因此很难采用如 Rietveld 分析法等传统的方法进行结构分析。不过，采用对分布函数（PDF）分析法可以分析非结晶材料的局域原子结构。因此，PDF 分析与反向蒙特卡罗（RMC）方法相结合，用于研究 LPS 的无序晶体结构与不同温度下的电导率之间的关系。详情请参阅引用的论文。