應(yīng)用 | 為什么電池容量越用越少？原位XRD告訴你：材料“悄悄”變了相！

電池容量衰減的真相是什么？ 無論是鈉電、鋰電還是其他儲能體系，電極材料在循環(huán)過程中容量衰減一直是研發(fā)人員頭疼的問題。傳統(tǒng)的事后分析往往只能“看到結(jié)果"，卻無法“捕捉過程"。  直到原位XRD技術(shù)的出現(xiàn)，我們才真正“看"到了材料在充放電過程中的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化。 

一、XRD分析的核心優(yōu)勢：從“靜態(tài)"到“動態(tài)" 

NaFeNb（磷酸鹽）3，NFNP 材料已被設(shè)計(jì)為鈉離子電池的候選陽極材料，因其原始形態(tài)結(jié)合了Fe（III）和Nb(V)的存在——這些元素在鈉插入時可能被還原——使得在合理電位下正式引入3個鈉離子成為可能，同時其堅(jiān)固的nasilicon結(jié)構(gòu)具有開放通道供鈉遷移。在一項(xiàng)發(fā)表于《Chemistry of Materials》的研究中，科學(xué)家們探究了一種新型鈉電負(fù)極材料NaFeNb(PO?)?（簡稱NFPN）。雖然該材料初始容量良好，但循環(huán)后性能持續(xù)下降。

通過 原位XRD技術(shù) ，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：

- 能捕捉到 ：材料在充放電過程中從 三方晶系（R-3c）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿本?；

- 過程可視化 ：相變隨循環(huán)逐漸累積，導(dǎo)致部分電對失活；

- 機(jī)制揭示 ：不可逆相變是容量衰減的 根本原因 。

這項(xiàng)研究不僅解釋了性能衰減機(jī)理，也為后續(xù)材料優(yōu)化提供了明確方向。

圖1：NaFeNb(PO4)3, NFNP的循環(huán)過程中的相變現(xiàn)象的原位 XRD 和 XAS 分析

非原位與原位XRD對比：

 原位XRD的三大優(yōu)勢：   

1.  實(shí)時動態(tài)監(jiān)測 ：在電池工作狀態(tài)下連續(xù)采集數(shù)據(jù)，捕捉結(jié)構(gòu)演變?nèi)^程；  

2.  高分辨與高靈敏度 ：識別微小相變、晶格畸變、雜質(zhì)相生成； 

3.  與電化學(xué)數(shù)據(jù)同步 ：結(jié)構(gòu)變化與電壓/電流曲線直接關(guān)聯(lián)，機(jī)制清晰可見。

二、XRD在電池材料研究中的廣泛應(yīng)用場景 

-  電極材料開發(fā) ：揭示充放電過程中的相變機(jī)制

-  固態(tài)電解質(zhì)研究 ：觀察界面反應(yīng)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

-  快充性能評估 ：捕捉高倍率下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與退化

-  循環(huán)壽命分析 ：追溯材料結(jié)構(gòu)演變與容量衰減的關(guān)系

三、 為什么選擇原位XRD？因?yàn)樗卮鸬氖?/span>“過程問題" 

傳統(tǒng)表征只能告訴你“材料最后怎么樣了"，而 原位XRD能告訴你“材料是怎么變成這樣的" 。  

在電池材料研發(fā)進(jìn)入“深水區(qū)"的今天，理解動態(tài)行為比觀察靜態(tài)結(jié)果更為重要。

四、 推廣寄語：用動態(tài)視角，看見材料的“生命過程" 

從理解衰減機(jī)制，到優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，再到提升器件性能—— 讓XRD成為你研發(fā)過程中的“眼睛" 。

貝拓科學(xué)專業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的BRAGG二位超快原位多晶X射線衍射儀采用先進(jìn)的X射線衍射技術(shù)，能夠快速、精確地進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析、相態(tài)識別和定量分析。BRAGG具有高分辨率和靈敏度，可以應(yīng)對多種樣品類型，包括粉末、液體、固體等，也可搭載原位電池、原位變溫等多功能附件；它還配備了用戶友好的軟件界面，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。這款儀器適用于多個領(lǐng)域，包括材料科學(xué)、地球科學(xué)、化學(xué)等，為研究人員和工程師提供了強(qiáng)大的分析工具。

 關(guān)鍵詞 ：原位XRD、電池材料、相變分析、容量衰減、結(jié)構(gòu)表征、動態(tài)監(jiān)測  

 適用對象 ：電池企業(yè)研發(fā)、高校研究所、材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、電化學(xué)研究人員

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Pianta, N., Khalid, S., Pellini, I. C., Florenzano, D. A., Brugnetti, G., Ceribelli, N., … Ferrara, C. (2024). NaFeNb(PO?)? as an electrode material for sodium-ion batteries: Insights into phase evolution and capacity fading. Chemistry of Materials, *36*(12), 6010–6024.DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c01854.