【熱點(diǎn)應(yīng)用】石墨負(fù)極材料的X射線衍射分析

本文摘要

本文介紹了馬爾文帕納科緊湊型X射線衍射儀Aeris是快速、準(zhǔn)確分析石墨類材料的石墨化度的得力工具。

應(yīng)用背景

石墨類材料用于鋰電池的負(fù)極材料時(shí)，除了要對(duì)其元素含量、顆粒粒度及粒度分布進(jìn)行分析檢測(cè)外，還有一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是需要衡量其石墨化度。

石墨化度用于衡量石墨類材料無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)重排后晶體結(jié)構(gòu)接近完mei石墨的程度（有序程度）。

石墨類材料約接近理想石墨，晶格缺陷越少，電子遷移阻力越小，電池的動(dòng)力學(xué)性能越好。因此石墨化程度的高低，是石墨材料能否成為鋰離子電池負(fù)極材料的必要條件之一。

X射線衍射技術(shù)用于石墨化度的測(cè)量

鋰離子電池中最常見的負(fù)極材料是具有層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶態(tài)石墨類碳材料，其結(jié)構(gòu)可參見圖1。

圖1 石墨層結(jié)構(gòu)示意圖

X射線衍射法是晶體結(jié)構(gòu)判定的標(biāo)準(zhǔn)方法，所以同樣可以用于進(jìn)行石墨負(fù)極材料石墨化度的測(cè)量。其具體步驟為：

首先測(cè)量石墨的XRD圖譜，獲得其(002)晶面衍射角2θ， 根據(jù)布拉格公式：

2dsinθ=nλ

計(jì)算石墨(002)晶面的層間距d002, 然后使用富蘭克林公式（Mering-Maire公式）計(jì)算：

G=(0.3440–d002)/(0.3440–0.3354)×100%

式中G為石墨化度%，0.3440 nm為完quan非石墨化碳的層間距，0.3354 nm為理想石墨晶體的層間距（六方晶系石墨c軸點(diǎn)陣常數(shù)的一半）。

實(shí)際工作中，為了排除制樣、樣品位置等誤差源影響造成角度漂移，通常需使用內(nèi)標(biāo)法測(cè)量：將325目高純單晶硅粉與待測(cè)石墨粉末以一定質(zhì)量比混合均勻后放入樣品架中進(jìn)行測(cè)量，獲得譜圖后進(jìn)行峰型擬合獲得石墨與硅的衍射峰位（參見圖2），再以單晶硅標(biāo)準(zhǔn)衍射峰角度為依據(jù)校準(zhǔn)石墨衍射峰角度，用校準(zhǔn)后的峰位值計(jì)算(002)層間距及石墨化度。

圖 2石墨與硅混合樣品的衍射圖譜擬合結(jié)果

X射線衍射技術(shù)分析石墨結(jié)構(gòu)取向

在石墨制成電極片后，石墨層狀結(jié)構(gòu)的排布方向（取向）對(duì)鋰離子遷移也有較大影響（參見下圖3）。

圖 3不同取向的石墨電極片鋰離子遷移示意圖

理想情況下，石墨層結(jié)構(gòu)完quan與電極片平面方向垂直對(duì)鋰離子擴(kuò)散最有利，但實(shí)際制備時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，通常只能控制石墨電極取向在一定范圍內(nèi)。

XRD方法也用于測(cè)試石墨電極的取向性。對(duì)水平放置的電極片樣品進(jìn)行衍射圖譜測(cè)試時(shí)，能夠采集到的(110)晶面的衍射信號(hào)來(lái)自于層結(jié)構(gòu)垂直于電極片的石墨，(002)和(004)晶面的衍射信號(hào)來(lái)自于層結(jié)構(gòu)平行于電極片的石墨，因此，可以以(002)或 (004)衍射峰強(qiáng)度（或積分面積）與 (110)衍射峰強(qiáng)度（或積分面積）之比描述石墨電極的取向性。公式描述為：

OI=I(002)/I(110)

或

OI=I(004)/I(110)

其中OI（orientation index）為石墨電極的取向性。

馬爾文帕納科石墨化度解決方案

馬爾文帕納科高性能緊湊型衍射儀Aeris，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行石墨材料石墨化度和石墨電極取向性的自動(dòng)測(cè)量計(jì)算。

使用者只需將樣品放置在外置進(jìn)樣器上，定義樣品名字后，衍射圖譜測(cè)量級(jí)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算均由衍射儀內(nèi)置計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，排除人工處理數(shù)據(jù)的不確定性和個(gè)體差異，測(cè)試及分析只需幾分鐘即可完成，測(cè)試報(bào)告還可以自動(dòng)同步到用戶的電腦中。

Aeris 

緊湊型X射線衍射儀

Aeris緊湊型X射線衍射儀除了可以測(cè)量負(fù)極材料的石墨化度和涂片的取向外，還可以應(yīng)用于電池前驅(qū)體和正極材料的其他高質(zhì)量分析，例如：

• 晶型鑒定

• 物相成分分析

• 晶粒尺寸分析

• 原位充放電循環(huán)研究

儀器特點(diǎn)：

• 緊湊的占地面積（僅需一張實(shí)驗(yàn)桌）

• 提供高準(zhǔn)確度和高精度分析

• 快速測(cè)量

• 樣品外部裝載，無(wú)需手動(dòng)開門

• 觸屏操作，簡(jiǎn)單易用

• 無(wú)需水冷和其他配套設(shè)備

• 適配傳送帶或機(jī)器人集成自動(dòng)化

• 自動(dòng)化分析軟件