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【熱點應用】XRD分析電池正極材料應該使用什么樣的儀器配置？
摘要
在鋰離子電池正極材料的晶體結構表征中，正極材料中的過渡金屬元素與常規銅靶X射線的相互作用易誘發強烈二次熒光效應，導致衍射圖譜背景增高，信噪比不佳。是否可以通過更改光路配置，達到高靈敏度和最佳的數據質量？本文通過實際案例為您介紹馬爾文帕納科X射線衍射儀測量正極材料時的最佳光路配置，幫助您在測試中獲取更好的數據。
1 背景介紹
X射線衍射（XRD）是分析鋰離子電池正極材料的一種重要工具。正極材料，例如常用于電動車（EV）電池的磷酸鐵鋰（LFP）和三元氧化物（NMC），可能存在陽離子混排和晶界等缺陷，從而影響到它們的性能和耐久性。XRD常用于研究此類缺陷及合成的正極材料的晶相。
XRD是一款配置可調不固定的儀器，因此可以根據待測材料定制其光路，以確保高靈敏度和最佳數據質量。正極材料包含過渡金屬元素（例如鐵、鎳、鈷、錳），當使用傳統的銅靶射線分析時會激發出強熒光；這種熒光會導致XRD衍射圖中的高背景，降低了微量相的靈敏度。然而，選擇特定的光學部件及探測器組合可以明顯減少由此帶來的背景，提高數據質量。
2 關鍵光學元件的選擇
XRD測試平臺主要有入射光路、測角儀、樣品臺、衍射光路組成，以下對XRD測量中常用的關鍵光學器件，也就是入射光路和探測器作簡單介紹：
入射光路的選擇
機械狹縫(Motorized Slit)：一種廣泛應用于XRD的光路部件，與光刀（Beam Knife）結合使用可以提供良好的低角度表現。然而狹縫光路系統需要β濾波片來消除衍射圖譜中的kβ峰，而濾波片同時會使kα峰的強度也降低50%左右。
BBHD（或iCore）光路部件：這種基于多層反射鏡的單色器能提供~450eV的分辨率，可在光源處過濾掉β波長和白輻射，提供出色的低角度性能和高強度、低噪音的衍射圖。
圖1 基于粉末衍射幾何的多功能模塊
探測器的選擇
0維或1維探測器都可用于粉末衍射測試，1維探測器能提供更快的測試速度。1維探測器分為兩類：低能量分辨率（＞1500eV）和高能量分辨率（＜350eV），高能量分辨率探測器是高熒光樣品的優選，能夠提供較好的測試性能。
圖2 馬爾文帕納科XRD探測器系列
3 實用案例：Li-NCM111正極材料
在這個案例中，我們使用四種不同的XRD配置測量了BAM-S014 Li-NCM111認證的參考樣，每種配置都有特定的入射光路模塊和探測器的組合。配置總結如下表所示：
使用四種不同配置測試得到的衍射圖譜比較如圖1所示。
圖1：使用PDS和BBHD和兩種不同能量分辨率設置下的1Der探測器測試的XRD圖譜對比
對低角度和高角度部分放大后的衍射圖譜如圖2、圖3所示。
圖2：使用PDS和BBHD和兩種不同能量分辨率設置下的1Der探測器測試結果低角度放大圖像
圖3：使用PDS和BBHD和兩種不同能量分辨率設置下的1Der探測器測試結果低角度放大圖像
結果表明，340eV的能量分辨率比傳統的1500eV能量分辨率更具有明顯的優勢，在340eV設置下測量時，信號背景（S/B）比明顯更好。此外，在給定的能量分辨率下，與機械狹縫比較，使用多層反射膜光路部件（如BBHD或iCore）可以增強信號強度，并進一步降低背景噪音。
采用不同XRD配置后得到的信號/背景比總結如下表：
從S/B比可以看出，BBHD結合340eV能量分辨率探測器對正極活性材料的分析提供了優質的數據。
高質量的數據適用于Rietveld精修以提取關鍵參數，如陽離子混排和晶粒尺寸。HighScore Plus軟件精修示例如圖4所示，此樣品中陽離子混排率為7%，晶粒尺寸為92nm。
圖4：對XRD數據的Rietveld精修得到此樣品中陽離子混排率為7%，晶粒尺寸為92nm
結論
用XRD分析正極材料時，高能量分辨率探測器（＜350eV）在消除Mn、Fe、Co和Ni等過渡金屬熒光上具有明顯的優勢。用Co靶代替Cu靶也可以消除Fe和Co的熒光，但不能消除Mn的熒光。因此，高能量分辨率探測器是分析各種正極材料的不錯選擇。
結合高能量分辨率探測器和BBHD或iCore，可以進一步降低背景，增強信號，提高數據質量，從而在XRD衍射數據中提供最佳的背景。這樣的高質量數據可以用來確定關鍵參數，如陽離子混合和晶體尺寸，以及正極材料的晶體相結構。