Diffraction des rayons X in situ

Basé sur la loi de Bragg, in situDiffraction des rayons X(XRD) peut être utilisé pour surveiller le changement de phase et ses paramètres de réseau dans l'électrode ou l'interface électrode-électrolyte en temps réel pendant le cycle de charge-décharge d'une batterie. Il fournit une perspective et des données importantes pour une étude plus approfondie du fonctionnement de la batterie et du mécanisme de défaillance.

En fonction de la position du collecteur de signaux radiologiques par rapport à la source de rayons X incidente, il existe deux conceptions principales de dispositifs XRD in situ : réfléchis et transmis.

Les laboratoires conventionnels utilisent généralement des dispositifs réfléchissants (tels que celui ci-dessus (a)) dans lesquels les rayons X incidents sont situés du même côté de la batterie que le collecteur de signaux, de sorte que le signal collecté provient principalement de la surface de l'électrode exposée au Rayons X.Les rayons X incidents transmis in situ par XRD (comme le montre la figure (b)) proviennent généralement de sources de rayonnement synchrotron, ont une intensité extrêmement élevée, peuvent pénétrer directement dans l'ensemble de la batterie et améliorer considérablement le rapport signal/bruit et la vitesse d'acquisition du signal. . Les performances électrochimiques de la batterie entièrement solide dépendent principalement des performances de l'électrolyte solide et de son interface avec l'électrode, de sorte que la synthèse et la caractérisation contrôlables de l'électrolyte solide revêtent une grande importance pour le développement de la batterie entièrement solide.

1. L'équipe de Stefan Adams de l'Université nationale de Singapour a utilisé le rayonnement synchrotron in situDRXpour surveiller en temps réel le processus de synthèse à haute température du LAGP, un électrolyte solide typique de NASICON, et a découvert que l'aluminium ne peut être efficacement incorporé au LGP que lorsqu'il est fritté à 800 ℃ pendant une période suffisamment longue. Ainsi, un électrolyte solide LAGP en phase pure avec une conductivité ionique plus élevée est obtenu, et un frittage à température plus élevée (par exemple 950 ℃) provoque la désalumination de la couche externe de particules LAGP et l'apparition d'une phase non pure.

Safanama D, Sharma N, Rao RP et al. Evolution structurelle de Li 1+ x Al x Ge 2− x (PO 4) 3 de type NASICON en utilisant la diffraction de poudre de rayons X synchrotron in situ [J]. Journal de chimie des matériaux A, 2016, 4(20) : 7718-7726.

2. Sun Xueliang et al., Université de Western Ontario, Canada, ont étudié la stabilité de l'électrolyte solide halogénure Li3InCl6 dans l'air en utilisant le rayonnement synchrotron.DRX in situet la structure d'absorption des rayons X in situ (XANES), etc., et ont révélé le mécanisme de la dégradation de la conductivité ionique due à l'absorption d'eau.

Li W, Liang J, Li M et al. Dévoiler l'origine de la stabilité à l'humidité des électrolytes halogénures à l'état solide par des techniques d'analyse aux rayons X synchrotron in situ et operando [J]. Chimie des matériaux, 2020, 32(16) : 7019-7027.

3. Matériaux d'électrodes négatives. L'équipe de Neeraj Sharma de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie a utilisé le rayonnement synchrotron in situ XRD pour étudier la demi-batterie à couche mince basée sur l'électrolyte solide LiPON et a surveillé le processus de transformation progressive du lithium-bismuth en bismuth pendant la charge en temps réel.

Goonetilleke D, Sharma N, Kimpton J et al. Aperçu de la formation d'alliages de lithium dans les batteries au lithium à couches minces entièrement solides [J]. Frontières de la recherche énergétique, 2018, 6 : 64.

La XRD in situ, en particulier la XRD par transmission in situ basée sur une source de rayonnement synchrotron, est une technologie de surveillance en temps réel sans contact et non destructive, principalement utilisée pour étudier les changements de phase oustructure en cristal des électrodes de batterie à semi-conducteurs ou des électrolytes à semi-conducteurs dans différents états de charge et de décharge, ainsi que les changements résultant du cycle de charge et de décharge continu. Le mécanisme de charge et de décharge ainsi que le mécanisme de défaillance de la batterie à semi-conducteurs peuvent être profondément révélés.

Cependant, en raison de la rareté des ressources en rayonnement synchrotron, la plupart des expériences de DRX in situ ne peuvent être réalisées que par balayage par réflexion au moyen d'un équipement XRD conventionnel en laboratoire, ce qui réduit considérablement la quantité et la précision des informations pouvant être obtenues et prolonge considérablement le temps de balayage requis et nécessite une conception fine des batteries in situ en raison des limites de la profondeur de détection XRD conventionnelle.