Lời nói đầu

nhiễu xạ tia X (XRD) là một công cụ quan trọng để nghiên cứu tính chất cấu trúc tinh thể của vật liệu điện cực. Ngoài ra còn có thể dùng để nghiên cứu nguyên lý phản ứng hóa học. Trong các hệ thống điện hóa, XRD được sử dụng để nghiên cứu các vật liệu điện cực pin lithium ion có thể sạc và xả mới. Thử nghiệm XRD tại chỗ của vật liệu trong quá trình sạc và xả cho phép suy đoán cơ chế phản ứng điện hóa bằng cách thay đổi đỉnh nhiễu xạ.

Máy nhiễu xạ tia X là hiện tượng nhiễu xạ tia X trong mẫu, sử dụng vị trí và cường độ của đỉnh nhiễu xạ để phân tích định tính loại kết tinh của vật liệu, khuyết tật tinh thể, hàm lượng của các pha cấu trúc khác nhau, v.v. Trong quá trình sạc và xả pin, loại kết tinh của vật liệu điện cực, thông số tế bào và như vậy sẽ thay đổi, để xác định những thay đổi cụ thể xảy ra trong vật liệu điện cực trong quá trình sạc và xả pin, chúng ta có thể sử dụng XRD tại chỗ để quan sát vật liệu điện cực trong thời gian thực, do đó có thể suy đoán các sản phẩm trung gian được tạo ra trong quá trình phản ứng điện hóa, thông qua các sản phẩm trung gian này có thể tiết lộ cơ chế phản ứng.

Hình 1. (a) Sơ đồ thiết kế pin tại chỗ; (b) Sơ đồ XRD tại chỗ cho bốn cơ chế phản ứng pin điển hình:

Phản ứng một pha, phản ứng thay đổi pha, phản ứng hợp kim, phản ứng chuyển đổi. [1]M. T. Xia, T. T. Liu, N. Peng, R. T. Zheng, X. Cheng, Small Methods 2019, 1900119, 3.

Ưu điểm của XRD tại chỗ

So với XRD không tại chỗ, các ưu điểm của XRD tại chỗ như sau:

1, XRD tại chỗ trong quá trình phản ứng vật liệu để có được thông tin thay đổi cấu trúc thời gian thực, có thể nhận thức sâu sắc về phản ứng xảy ra trong quá trình sạc và xả vật liệu, cũng có ý nghĩa hướng dẫn lớn về cách cải thiện vật liệu.

Thay vì thử nghiệm XRD tại chỗ thường không thể giảm tình trạng thực tế tốt, ngoài ra, nếu trạng thái vật liệu được thử nghiệm nhạy cảm với không khí, vật liệu phải được thử nghiệm trong một thiết bị cách ly không khí để phản ứng với tình trạng thực tế của vật liệu.

Kiểm tra XRD tại chỗ có thể nhận được rất nhiều thông tin tương phản trong một thời gian ngắn, vì toàn bộ quá trình kiểm tra tại chỗ là kiểm tra cùng một vị trí của cùng một vật liệu, thông tin thu được (cho dù đó là thông số tế bào hay cường độ đỉnh, hoặc các thông số khác) là tương đối so sánh.

3, XRD không tại chỗ thu được thông tin tương đối kém và yêu cầu hoạt động cao trong quá trình thử nghiệm, chẳng hạn như tháo rời tấm cực sau khi rửa nếu tấm cực ở trạng thái gấp nếp, dẫn đến sự thay đổi cao và thấp trong bề mặt thử nghiệm vật liệu, sự thay đổi trong hội nghị thượng đỉnh của XRD đo được, sửa chữa tương ứng thu được các thông số tế bào cũng sẽ thay đổi; Mà chất lượng và phân bố vật liệu hoạt tính khác nhau tất nhiên tồn tại khác nhau, điều này cũng tất nhiên dẫn đến tính so sánh mạnh mẽ của đỉnh trong trạng thái nạp điện khác nhau là tương đối kém.

Trường hợp ứng dụng

(1) Mẫu/Làm mẫu

Thí nghiệm này sử dụng máy nhiễu xạ tia X loại máy tính để bàn FRINGE của Suzhou Longsound Science Instrument Co., Ltd. để kiểm tra XRD tại chỗ sau khi hoàn thành lắp ráp vật liệu điện cực được cung cấp bởi một nhóm chủ đề của một trường học.

Sơ đồ 2. a~c) Sơ đồ lắp ráp pin tại chỗ; d) Sơ đồ cài đặt thử nghiệm pin tại chỗ

Sơ đồ 4. Trường hợp thử nghiệm XRD tại chỗ với FRINGE

(2) Kiểm tra và phân tích

Một nhóm nghiên cứu nghiên cứu vật liệu tích cực pin lithium ion - hợp chất liên lớp than chì, cần sử dụng XRD tại chỗ để tiết lộ cơ chế phản ứng điện hóa.

Đối với các hợp chất liên lớp graphite, thông tin cấu trúc của chúng có thể được xác định bằng các thí nghiệm nhiễu xạ tia X. Như thể hiện trong Hình 5, giữa các lớp than chì trong than chì ban đầu hoạt động thông qua lực van der Waals, với khoảng cách d0 khoảng 0,335nm. Sự sắp xếp không gian theo hướng của bề mặt thẳng đứng thay đổi khi các loài được chèn vào giữa các lớp than chì. Nói chung, tỷ lệ giữa số lượng lớp nguyên tử carbon và số lượng lớp của các loài khảm được xác định là bậc hợp chất n giữa các lớp graphite để đo độ sâu của phản ứng khảm. Trên cơ sở đó tồn tại mối quan hệ về số lượng:

Tôic= Di+(n-1)d0

Sơ đồ 5. Sơ đồ cấu trúc hợp chất giữa các lớp than chì

Hình 6. PF6-Vòng đầu tiên của đường cong sạc và xả liên tục hiện tại cho điện hóa xen kẽ Graphite tích cực

Hình 7. Trong quá trình sạc PF6-anion điện hóa chèn graphite tạo thành hợp chất chèn graphite GIC,

Hai bên trái và phải của đỉnh graphite ban đầu là đỉnh nhiễu xạ (00n+1) và (00n+2) tạo thành GIC.

Hình 8. Hiển thị sơ đồ lớp phủ bù đắp XRD tại chỗ được hiển thị bởi phần mềm CrystalX trong quá trình sạc than chì tích cực PF6-Anion Electrochemical Plug

Hình 9. BF6 - Vòng đầu tiên của đường cong sạc và xả liên tục hiện tại cho điện cực than chì chèn anion

Hình 10. Hiển thị bản đồ lớp phủ bù đắp XRD tại chỗ được hiển thị bởi phần mềm CrystalX trong quá trình nạp và xả than chì tích cực bằng dung môi phân tử cyclobutoxide SL

(3) Kết quả và thảo luận

1, kiểm tra sạc và xả hiện tại liên tục của bán điện cực Li/Graphite thường được sử dụng để thực hiện đặc tính điện hóa sơ bộ của vật liệu tích cực, như trong hình 6, đường cong sạc và xả liên tục vòng đầu tiên của PF6-anion electrochemical chèn Graphite tích cực, vòng đầu tiên của công suất tỷ lệ sạc là 143mAh/g, vòng đầu tiên của công suất tỷ lệ xả là 92mAh/g. Ngoài ra, đường cong sạc và xả cho thấy nhiều nền tảng hơn, mô tả PF6-Trong quá trình tiến vào giữa các tầng than chì được tiến hành theo từng giai đoạn.

Bằng cách thực hiện kiểm tra nhiễu xạ tia X trên các điện cực than chì, chúng tôi có thể nhận được một số (001) cường độ đỉnh nhiễu xạ và vị trí của các hợp chất giữa các lớp than chì.

PF6 trong quá trình sạc-Tích cực than chì điện hóa anion tạo thành hợp chất chèn than chì GIC như thể hiện trong Hình 7, và hai bên trái và phải của đỉnh than chì ban đầu là đỉnh nhiễu xạ (00n+1) và (00n+2) tạo thành GIC.

Trong quá trình sạc và xả, gốc tetrafluoroborat BF4-anion xen kẽ graphite tích cực được dung môi hóa bởi phân tử butyl sulfone SL trong quá trình sạc và xả tạo thành hợp chất chèn graphite GIC, hai bên trái và phải của đỉnh graphite ban đầu là đỉnh nhiễu xạ (00n+1) và (00n+2) tạo thành GIC, trong quá trình xả, đỉnh nhiễu xạ (00n+1) và (00n+2) tạo thành GIC ở cả hai bên trái và phải dần biến mất, đỉnh nhiễu xạ trở lại vị trí graphite ban đầu, (002) cường độ nhiễu xạ của bề mặt tinh thể giảm đáng kể.

3, Hình 8, 10 cho thấy chức năng biểu đồ lớp phủ bù đắp trong phần mềm phân tích điều khiển CrystalX được hỗ trợ bởi thiết bị nhiễu xạ tia X Suzhou Wave Sound FRINGE. Tính năng này có thể giúp bạn so sánh nhiều dữ liệu lịch sử, đặc biệt là đối với biểu đồ đã xảy ra chuyển đổi tương tác, có thể thể thể hiện sự khác biệt của biểu đồ một cách trực quan, rõ ràng.