In-situ рентгеноструктурный анализ ионно-литиевых аккумуляторных батарей

Ионно-литиевые аккумуляторные батареи являются видом перезаряжаемых аккумуляторных батарей, часто используемых в компьютерах и мобильных телефонах. В ионно-литиевой аккумуляторной батарее ионы лития мигрируют от отрицательного к положительному электроду при разрядке и назад к отрицательному электроду при зарядке. Так как интеркалирующие соединения используются в качестве материала электрода, вместо металлического лития, молекулярная структура электрода и положение и количество Li включений, внедренных в молекулярную решетку электродов, имеет решающее значение для понимания работы батареи и ее производительности. Рентгеновская дифракция является одним из немногих методов, которые могут определить позицию и размещение ионов лития, включенных в молекулярную решетку электродов.

На рисунке 1 изображена специализированная аккумуляторная батарея, доступная для большинства дифракционных рентгеновских систем от Ригаку. Эта ячейка установлена на многофункциональной дифракционной системе Ultima IV. Она позволяет снимать дифракционные данные "in-situ" во время циклической разрядки-зарядки электрода.

A specialized battery cell available for most Rigaku X-ray diffraction systems

Рисунок 1: Ячейка батареи на дифрактометре Ultima IV от Ригаку

На рисунке 2, показанном ниже, приведены дифракционные картины и результаты качественного анализа материала электрода LiFePO4. Согласно результатам, в электроде основная фаза меняется от LiFePO4 на FePO4 во время зарядки и обратно на LiFePO4 при разрядке. Это означает, что ионы лития мигрируют туда и обратно во время процессов разрядки и зарядки, литий внедряется в молекулярную решетку LiFePO4 и структура решетки не меняется при миграции ионов лития в структуру и из нее.

x-ray diffraction patterns and phase identification analysis results

x-ray diffraction patterns and phase identification analysis results

Рисунок 2: Цикл зарядка / разрядка (вверху) LiFePO4 электрода с сопровождающими in-situ дифракционными измерениями и результатами анализа (внизу). Ссылка: профессор Т. Накамура, Университет Хиого, опубликовано в J.Electrochem. Soc 154, 544 (2010).

На рисунке 3 показаны структуры молекулярных решеток FePO4 и интеркалированных LiFePO4 соединений.

molecular lattice structures

Рисунок 3: Структура решетки FePO4 (слева) и структура интеркалированной решетки LiFePO4 (справа)



Ultima IV представляет собой передовой многоцелевой рентгеновский дифрактометр. Внедрение CBO оптики, запатентованной компанией, на постоянной основе, надолго выровненной и с выбираемыми пользователем геометриями (параллельнного пучка или фокусирующей) - все это позволяет выполнять множество различных измерений ... быстро. Read more...