LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC 811) 是目前NMC型材料中性能最好的一种高能量密度阳极材料。NMC 811对锂离子电池的性能起着至关重要的作用，对电动汽车和储能系统来说尤其如此。NMC 811的结构完整性和相组成对其电化学性能（包括容量、稳定性和寿命）具有显著影响。X光衍射 (XRD) 是对NMC 811进行全面结构分析不可或缺的工具，可帮助我们深入了解其晶相、晶格参数和潜在结构缺陷。
尽管NMC材料相比之前的材料有了显著改进，但仍存在两个显著缺点：容量衰减严重，以及高倍率（C rate）下充放电速率能力差。其根本原因在于：1)电导率低；2)Li+和 Ni2+的反位混合；3)副反应导致的氧损失。
通过某些衍射强度与晶格参数之间的比值，可以得出有意义的性能指标。锂离子的高迁移率取决于六方a-b平面的强长程有序性。R-因子 (R = (I006+I102)/I101) 能很好地指示这种有序性。
此外，通过I003/I104比值可以评估Li-Ni反位混合，若该比值大于1.2且c/a > 4.9，则表明反位混合率低 (< 2%)，因此不再影响电化学性能。1对粉末衍射数据进行Rietveld结构精修，可获得有关结构的详细信息，包括键长、层间距、占位率或位移参数，这些信息对于材料的详细结构分析至关重要。
利用XRD的功能，研究人员和行业专业人士就能更深入地了解NMC 811的结构特性，从而提高材料性能，推动更高效电池技术的发展。
仪器和软件
Thermo Scientific? ARL? X'TRA Companion XRD 系统（参见图1）是一款简单易用的台式XRD仪器，适用于常规相分析以及更高级的应用。
图1.ARL X'TRA Companion衍射系统
使用Co Kα（1.790915 ?）辐射，在反射模式下对来自MSE Supplies LLC的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2样品进行了10分钟（5-90°2θ）（参见图2）和60分钟（10-143°2θ）测量。通过旋转样品和电子光子能量过滤来进行数据采集，以减少样品荧光。使用Profex软件（BGMN）程序，通过轮廓拟合得出强度，并对所有结构参数进行Rietveld精修。2使用Arai等人发布的NMC 811结构3作为初始模型。对总公式施加了约束，并使用各向异性原子位移参数（ADP）对Li-Ni反位混合（仅TM、O位点；Li位点各向同性ADP）进行精修。轮廓拟合基于BGMN的基本参数方法。
图2.对LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2进行测量（10分钟）。（点击查看大图）
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2样品为纯相。使用10分钟测量数据进行拟合，确定了强度和晶格参数。结果显示I003/I104= 1.37，c/a= 4.94，R= 0.46，因此符合高性能材料的标准。
使用60分钟扫描对结构参数、锂镍混合和各向异性ADP（参见图3）进行了精修。各向异性ADP的大小和方向与层状化合物的预期振动矢量非常相似。与NMC 811（含3.6%反位混合）的文献值相比4，其占位率、层间距和厚度相似，但层间距压缩（4.732 ?和4.695 ?），层间距离缩短（2.599 ?和2.592 ?）。除Li+的离子半径 (0.76 ?) 和Ni2+的离子半径 (0.69 ?) 差异外，还有更多参数影响着原子间距。合成过程中，可能出现不同数量的O空位，此处未进行评估。晶格参数5的差异在3σ区间内不显著。
图3.LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（黑色）的Rietveld精修结果与Wang等人4（橙色）的结果对比；ADP显示为99%的概率。（点击查看大图）
参考文献
[1] Z. Chen, J. Wang, D.Chao, T. Baikie, L. Bai, S. Chen, Y. Zhao, T. C. Sum, J. Lin, Z. Shen, Sci. Rep.2016, 6, 25771.
[2] N. Doebelin, R. Kleeberg, J. Appl. Crystallogr.2017, 48, 1573-1580.
[3] H. Arai, M. Tsuda, Y. Sakurai, J. Power Sources 2000, 90, 76-81.
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