北京中研环科

围绕科研 服务科研

围绕科研 服务科研
原位XAFS表征系统
来源: | 作者:中研小研 | 发布时间: 2023-05-09 | 311 次浏览 | 分享到:

原位XAFS表征系统


研制背景

围绕科研 服务科研

随着同步辐射技术的发展,对于材料科学来说,同步辐射光源可以使科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像,这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程,它们是发明优秀新材料不可或缺的“源头信息”。

鉴于目前国内三大同步辐射光源机时十分稀缺的现实问题,北京中研环科科技有限公司一直秉承将先进同步辐射技术延伸至实验室应用的理念,先后独立自主设计开发了基于实验室光源的X射线吸收、成像和衍射原位测试平台。这些原位测试平台不仅能够实现匹配各类原位工况实验条件的在线检测功能,同时,得益于原位表征系统内在方法学的建立,能够实现反应过程中原位反应数据的自动采集功能和一键式操作功能,真正意义上解放实验人员的双手。

其中,原位XAFS表征系统已经成为表征能源存储与转化材料等热点领域的重要手段之一。得益于X射线吸收精细结构谱(包括XANES和EXAFS)对中心吸收原子的局域结构及其化学环境十分敏感的特性,因而,利用原位XAFS表征系统可以实现在原子尺度上某一吸收原子周围几个临近配位壳层的结构信息。这包括吸收原子的电子结构信息,配位原子种类、配位数、无序度等精细结构参数。这将为探索各类化学反应机理、改善功能材料、设计新型功能材料等提供理论指导。同时结合系统中的各种原位测试功能,可实现实时监测动态反应中材料的精细结构变化,更加精准和快速的分析能源与环境领域的关键科学问题。

Part.02

基于实验室光谱XAFS谱仪


中研环科Deep Inspectra X1实验室XAFS谱仪与同步辐射XAFS数据比较(实验室采谱时间均为28min,20ev<e0<30ev< span="">区间范围设置为0.5ev步长)


1.金属Ni foil的数据对比图





2. 不同浓度NiO的数据对比图




Part.03

应用案例1-新能源电池体系


锂离子电池(LIBs)的迅速发展极大地推动了新能源电动汽车行业的进步,这也是可持续社会发展的关键一步。由于其优越的能量和功率密度,高镍层状正极材料(LiNixCoyAlzO2 (NCA)和LiNixMnyCo1−x−yO2 (NMC,x≥0.5))是LIBs中最有潜力的候选材料之一。同时得益于其钴含量较低,使得高镍正极材料在比容量,成本以及环境友好等方面都极具竞争力。然而,与它们的低Ni含量材料相比,高镍正极材料却更容易在锂嵌入/脱出过程中发生各类晶体结构变化,尤其是在高荷电状态(SoCs)下的快速晶格崩溃,这直接导致了该类材料在实际应用过程中的电化学性能衰减问题:如循环寿命更差,更容易发生热失控等。此外,各类研究还表明:高镍材料的表面更容易经历氧损失和伴随的结构转变,如从最初的层状结构到尖晶石和/或岩盐相的结构结构,或形成更致密的结构如Ni0.25NiO2和Ni0.5NiO2。这类表面结构重构导致产生更差的锂离子导体,并且被认为会阻碍锂化和脱锂,并最终损坏电池性能。为了将来能够更好的应用该类电极材料,就需要对该类材料进行深入的结构解析,如果可以,能够实现电池原位工况条件下的在线检测,将能够在很大程度上帮助研究人员获知其中的关键科学问题,为进一步改善其结构稳定性,提升电化学性能提供更好的解决方案。

为了尝试解决上述问题,我们利用北京中研环科科技有限公司自主设计、搭建的原位XAFS表征系统对不同的高镍电极材料以及相关的软包电池进行了初步的预实验,期望能够为该领域的研究人员提供一些新的思路和解决方案。

软包电池高镍体系LiNi0.9Co0.1O2工况测试数据from中研环科原位XAFS表征系统:

实验室XAFS吸收谱仪与同步辐射线站数据对比-1


实验室XAFS吸收谱仪与同步辐射线站数据对比-2


软包电池常温环境下充电过程中的原位XANES数据


软包电池高温环境(60℃)下充电过程中的原位XANES数据


通过比较高温和室温环境下,软包电池充放电过程中的XANES数据,我们可以发现:1. 虽然基于实验室光源的原位XAFS表征系统在光通量上表现不足(同步辐射光源采用快扫模式,15s一组XANES谱,实验室光源需要8min),但在软包电池这种实际工况条件下的原位实验仍然是可以实现的,而且其实际工况条件的结构变化仍然是准确的;2. 基于中研环科自主研发设计的各类原位测试装置不仅能够很好的适用于我们的原位XAFS表征系统,同样也能够很轻松的移植应用于同步辐射光源。


软包电池实际工况测试场景


Part.04

展    望


相比于同步辐射光源而言,基于实验室光源的原位XAFS表征系统虽然在光通量上无法与其比拟,但却可以作为弥补其机时不足的第二选择,并在普通粉末样品预筛选、各类原位实验的预处理以及前期条件摸索方面均能够提供巨大的帮助。特别是在各类原位实验中,得益于原位XAFS表征系统的实验室光源,其本身不仅具有很好的便携性质,更重要的是,其机时充足,可以进行大量原位实验的前期准备工作以及各位先进原位表征方法学的探究,为未来在同步辐射光源上展开的各类先进原位测试搭建一个更好的应用平台。北京中研环科一直致力于推动各类先进原位表征技术的进步,由公司自主设计的各类原位cell以及其表征系统均能够很好地适配到各个同步辐射光源上,实现一套方案两个解决方案的最终目标,为实验室原位研究和同步辐射原位研究搭建起真正的桥梁。


其他各类原位工况XAFS研究持续更新中,敬请期待。。。。