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X射线衍射(XRD)在锂电行业中的应用

更新日期: 2023-01-18
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锂电池已经成为我们日常生活的必需品。锂电池的使用范围十分广泛,在消费品领域主要应用在数码产品、手机、移动电源、笔记本等电子设备中。在工业领域,主要在应用在医疗电子、光伏储能、铁路基建、安防通讯、勘探测绘等领域。在特种领域如特种航天中也会应用到。

近年来,锂电池在下游消费品领域发展迅速,其中笔记本和手机是锂电池应用中较为广泛的两大应用领域。从长远来看,随着国家对新能源产业的扶持,电动汽车的动力电池应用将逐渐成为锂电池的超大需求产业之一。

随着我国智能化、信息化产业的发展,我国锂电池应用领域也得到扩展。在国家政策的驱动下,新能源汽车有着广阔的发展前景,而作为核心部件的锂电池同样迎来发展的大好良机。

高质量的、优秀的、安全的锂电池产品对各行各业的影响都十分巨大,目前各大锂电生产企业均投入大量的资金进入研发,以期实现更高能量密度,稳定性更强,寿命时间更长的电池。

X射线衍射(XRD)技术广泛应用于锂离子电池研究、生产和失效分析中。从原料矿物到电极材料,XRD是对材料中物相进行定性和定量分析的常规手段。对于负极材料石墨,影响电池性能的重要参数石墨化度需要用XRD进行表征;同时,XRD还可以通过对锂离子电池生产中的负极取向程度的分析,来决定极片压实工艺。XRD在锂电行业研发及质量控制中主要有以下几方面:

一、负极材料的石墨化度分析及克容量估算

碳材料是目前锂离子电池理想的负极材料。碳材料的种类决定着锂离子电池的嵌锂电位、工作电压可逆性能等。而克容量是衡量碳材料的一个重要指标,但是测试克容量一般是做成电池测试,需要花费不少时间,测试值稳定性也比较差。石墨化度是指在含有石墨晶体及各种过渡态碳的复合材料中,石墨晶体所占的比例。理论上可以凭借石墨化度来估算碳材料的克容量。通过XRD可以测得石墨晶体所占比例,从而计算出碳材料的克容量。

二、三元正极材料表征

锂离子电池的比容量、循环性能和安全性能与材料的晶体结构有密切关系,研究三元材料在不同温度状态下的稳定性及在电化学循环过程中结构变化,有助于更好理解三元材料充放电机理和电化学过程。

XRD是专门用于分析材料晶体结构的设备,能够通过精修得到三元材料的晶胞参数和离子混排信息,在三元材料制备工艺和材料掺杂改性方面以及三元材料的原位高温热性能等方面广泛应用。原位充放电XRD实验可以直接研究纽扣结构锂离子电池材料在充放电过程中正负极材料的结构变化和相转化。

三、电芯失效分析

锂离子电池在使用过程中,经常由于过充、过放、短路、高温等原因造成电芯寿命减少,甚至失效。因此应用XRD技术来进行锂离子电池的热失效分析,如从燃烧的残留物进行XRD分析,初步判断失效原因。

意大利GNR公司是一家老牌欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的技术开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。

可用于桌面的台式衍射仪ERUOPE、性价比高的大功率衍射仪APD 2000 PRO、功能强大的多功能高分辨率X射线衍射仪EXPLORER。根据实际检测项目不同,均可应用于锂电行的研发生产及质量控制中。


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