1 XRD原位电池测试系统
1.1 系统介绍
1.1.1 系统简介
XRD原位电池测试系统是为专为电池原位变温物相研究而设计开发的，适配XRD分析设备的测试系统。
电池的性能，从电池容量、能量密度，使用寿命都取决于组成电池的正极、负极和电解质的物相特征的变化。X射线衍射技术(XRD)是通过X射线在样品中的衍射现象利用衍射峰的位置和强度，实现定性分析材料的结晶类型、晶体参数、晶体缺陷以及定量分析不同结构相的相对含量的一种表征手段。对于应用于储能、催化等领域的材料而言，其晶体结构往往会随着反应的进行发生演变，而非原位XRD只能检测到某一状态下材料晶体结构的转变，很难准确得到关于材料在整个转变过程中的相关信息，尤其是关于电极材料相变和结构演变的研究。由于不同极片间的物理差异性和拆电池、极片洗涤以及转移等操作过程的影响，非原位XRD测试往往不能很好地还原电池材料在充放电过程中的真实状况。然而采用原位XRD技术则可以避免上述这些问题。
文天精策是一家专注于原位微区多场耦合环境设备的生产商，其在原位电池测试领域具有丰富的经验，积累了普适性和自创性的解决方案。其产品主要针对扣式电池，软包电池，常温锂电池，高温锂电池等，为众多高校科研用户提供了高质的设备和方案。
图 1 软包电池原位变温XRD测试系统
图 2 扣式电池原位变温XRD测试系统
1.1.2 系统特点
相比于传统XRD，电池原位变温XRD测试系统具有
l 原位测试锂电正常充放电过程中反射模式下X射线衍射谱数据;
l 温控范围宽，-40~200℃（电池）以及RT~1000℃（其他物料）温度变化范围；
l 高达0.1℃的温控精度；
l X射线的大探测角度：10°<2θ<150°；
l 体积小巧，卡槽式结构匹配Z轴位移台，安装方便，高度可调；
l 可重复使用，倒置安装电极材料、电解液，装配方便，保证重复拆装后密封性能；
l 装置整体拆卸、组装极为方便快捷，易于清洁；安装/拆卸过程简单；
1.2 XRD原位电池测量装置
原位XRD锂电池模具（WT-X-B）可以实现在锂电池的充放电过程中原位XRD测试，以研究充放电过程中电极材料所发生的结构和物相转变，揭示电池反应机理。窗片为高纯Be窗，可更换石英玻璃用于原位拉曼光谱测试。原位XRD锂电池模具可配置支撑架和Z轴位移台可适配赛默飞、布鲁克、理学、岛津等通用性X射线衍射仪。
1.2.1 基本结构
原位电池盒分为底座与电极两端相连的导线，带高纯Be窗的上盖组成。Be窗口，对X-Ray透射率高且导电，可以在电池充放电或不同温度条件下实现原位XRD测量，得到电极材料的物相变化。
图 3 XRD原位电池测量装置结构
图 4 XRD原位电池测量装置工作图
技术特点;
1. 配置了Z方向手动位移台,可与XRD测量设备匹配,获得适宜的测量高度;
2. X射线的大探测角度：10°<2θ<150°
3. 最大样品尺寸：φ19mm
4. Be窗背景与测试样品信号不干扰
图 5 铍背景
1.3 XRD原位变温电池测量装置
XRD原位变温电池测量装置是研究电池在变温条件下XRD测试的附件，能够实现样品温度范围：-40℃~200C，内部可以实现空气/惰性气体/真空的环境条件，支持在现有各种X-射线衍射仪(布鲁克、赛默飞、理学等)上改造适配。
图 6 XRD原位变温电池测量装置
图 7 XRD原位变温电池测量装置透视图
技术特点：
1. 结构紧凑，适用于材料原位变温XRD测试
2. 气密腔室设计（通保护气氛）
3. 可升级真空腔室（10-3mbar）
4. 衍射角0~164°（标准样品支架）
5. Z方向手动位移台
6. 上位机软件控制
表 1 XRD原位变温电池测量装置技术参数
1.4 XRD原位变温透射软包电池测量装置
冷热原位软包电池X射线透射装置可以实现在软包电池的在不同温度下充放电过程中原位XRD测试，以观察充放电过程中电极材料所发生的结构和物相转变，精确揭示电池反应机理。
图 8 XRD原位变温透射软包电池测量装置
图 9 设备实际工作图像
技术特点：
1. 温控范围宽，室温～200℃；
2. 温控精度高，升降温速度快；
3. 液氮制冷，环境友好，无污染和泄露风险；
4. 冷热块体采用纯银质，双侧加持结构，保证软包电池整体均温性；
5. 滑块式接线柱，适应不同极耳宽度软包电池连接；
6. 低温视窗低温气体吹扫设计，保证低温下视窗不结霜、不凝露；
7. 整体外壳设置循环水冷系统，保证长时间测试过程外壳过冷或过热。
8. 前后视窗采用进口Kapton膜视窗，尽可能减少X射线强度衰减；
9. 后视窗采用狭长方形设计，保证X射线衍射角度最大70°。
表 2 XRD原位变温透射软包电池测试系统技术参数
1.5 XRD搭配应用实例
可搭配赛默飞ARL EQUINOX 1000 和 1200X-射线衍射仪（或则布鲁克D8）。ARL EQUINOX1000和1200配有独特的超大面积实时探测器，可以对全谱进行实时同步采集。这使得其拥有更快的检测速度，也特别适用于原位研究和与结晶/相变相关的实验。
图 10 赛默飞ARL EQUINOX 3000
The ARL EQUINOX 1000和ARL EQUINOX 1200采用标准高功率光管。为了获得最 高的分析灵敏度以及分辨率，我们推荐您选用平行光或聚焦光多层镜。此外，光路中 也可选用单色器。如果使用石墨单色器，可以提高仪器的灵敏度。如果使用锗单色器， 则可以提高分辨率。ARL EQUINOX 1000和ARL EQUINOX 1200也可以选配SiamX 双单色器系统（锗单色器和石墨单色器的二合一装置），能够实现两种光学模式的轻松转换。
图 11 XRD原位变温充放电脱锂嵌锂
图 12 XRD原位变温充放电嵌锂脱锂
