Batteries & Supercaps:软包电池的无损同步辐射XRD检测
第一作者：Olof Gustafsson
通讯作者：William R. Brant
通讯单元：瑞典乌普萨拉大学
【研究配景】
众所周知，电池在轮回历程中通常涉及到动态和非均衡历程，及时监控这些历程对付了解和提拔电池的电化学性能至关紧张。此中，原位X射线衍射（XRD）是研究晶体电极质料轮回历程中亚稳态中心相和非均衡相变的一种紧张技能。然而，现在利用的原位表征本领都市对电池轮回性能孕育发生必然的影响，即捐躯尺度电池的完备性，以猎取高质量的衍射数据。
【结果简介】
鉴于此，瑞典乌普萨拉大学William R. Brant传授（通讯作者）基于同步辐射设置装备摆设的高能量和通量上风，提出了一种无损的原位XRD表征装置，并将其应用到表征以LiNi0.5Mn1.5O4为正极质料组成的软包电池中，深入研究了电池快速和长轮回历程中的正极质料晶体布局改变，同时实现了高质量衍射数据的网络和电化学性能的稳健连结。
研究评释，利用本文提出的原位表征装置组成的电池体现出与尺度软包电池8C（~6.6 mA cm-2）电流密度下相称的电化学性能，同时可以或许实现正确的无损检测。别的，还思量了用于其他表征技能的电池设计，包罗布拉格干系衍射成像和x射线汲取光谱学以及空间辨别率研究等。是以，该电池为研究电池质料中的非均衡相变和长轮回老化效应提供了一种新的替换研究技能。相干研究结果“Design and Operation of an Operando Synchrotron Diffraction Cell Enabling Fast Cycling of Battery Materials”为题颁发在Batteries & Supercaps上。
【焦点内容】
一、软包电池设计和道理图
如图1所示，设计的软包电池设计位于支架中，其通过海浪弹簧和玻璃碳窗口提供可控和可重复的堆叠压力。因为海浪弹簧的压缩长度牢固，是以可通过转变海浪弹簧常数（k）优化施加的堆叠压力。
图1.（a）软包电池布局设计；（b）软包电池道理设计。
二、软包电池性能验证
倍率为1C和8C下的恒电流轮回的电压曲线如图2所示，表现出可以或许到达的电压曲线和相似容量。玻璃碳窗口为设置装备摆设提供了机器性能，同时不与电池电化学反响打仗，从而幸免了与电解液之间的一些副反响。
图2.（a，b）倍率为1C和8C时的电压曲线。
三、XRD图谱及其精修数据
通过将Cu集流体移出软包电池，可以幸免对衍射图案的滋扰，从而只在衍射图案中留下正极质料集流体Al（图3a）。但对付全电池研究而言是不行能实现的，除非利用自支持导电电极。同时，对以锂箔作为负极的LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）软包半电池举行了同步辐射X射线衍射测试，并对其精修效果举行了阐发（图3b）。
图3.（a）无活性质料LiNi0.5Mn1.5O4的软包电池的精修XRD图谱，用*表现的峰值与聚合物隔阂有关；（b）具有活性质料LiNi0.5Mn1.5O4的软包电池的精修XRD图谱，此中用311、511和531表现。
四、差别倍率下电池布局改变
别的，基于差别轮回的倍率1C（~0.8 mA cm-2）和8C（~0.8 mA cm-2）监测了LNMO充放电历程中的布局改变（图4）。纵然在相对较高的8C倍率下，其利用隔断时间为5秒的计谋网络数据举行监测布局改变。然而，到达比本研究陈诉的更高的轮回倍率，必要依靠于研究质料的形貌和选择的电化学历程。
图4.（a，b）LiNi0.5Mn1.5O4在1C和8C的倍率下的XRD图谱和轮回曲线，分别用331、511和531面表现。在1C和8C下，每个模式的收罗时间分别为10秒和5秒。
五、轮回历程中电池参数和重量分数改变
使用TOPAS V6中的一连修正，研究了在1C轮回条件下各个LixNi0.5Mn1.5O4相（富锂（I期）和贫锂（II期））的电池参数（a）和重量分数（图5）。
图5.在1C的恒电流轮回下，LiNi0.5Mn1.5O4中富锂（I期）和贫锂（II期）相的电池参数、a和重量分数的演化。
【结论瞻望】
总而言之，作者提出了一种无损的原位XRD表征装置，并将其应用到表征以LiNi0.5Mn1.5O4为正极质料组成的软包电池中。电池设计的无损性子使高倍率的研究成为大概，同时连结与尺度软包电池相称的电化学性能。其先辈设计提供了可重复的和简单建模的衍射模式，从而简单猎取高质量的x射线衍射数据。这将有助于研究电池质料中的非均衡态和亚稳态，格外是在高倍率下，有助于了解潜伏的机制及其与电池性能之间的联络。
Olof Gustafsson, Alexander Schökel, William R. Brant*，Design and Operation of an Operando Synchrotron Diffraction Cell Enabling Fast Cycling of Battery Materials, 2021, DOI:10.1002/batt.202100126
