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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(jié)構(gòu)表征中，正極材料中的過渡金屬元素與常規(guī)銅靶X射線的相互作用易誘發(fā)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(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù),。
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(diào)不固定的儀器,，因此可以根據(jù)待測材料定制其光路，以確保高靈敏度和最佳數(shù)據(jù)質(zhì)量,。正極材料包含過渡金屬元素（例如鐵,、鎳、鈷,、錳）,，當使用傳統(tǒng)的銅靶射線分析時會激發(fā)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(shù)據(jù)質(zhì)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(jié)合使用可以提供良好的低角度表現(xiàn),。然而狹縫光路系統(tǒng)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(yōu)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(jié)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(jié)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(jié)果低角度放大圖像
結(jié)果表明，340eV的能量分辨率比傳統(tǒng)的1500eV能量分辨率更具有明顯的優(yōu)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(jié)如下表：
從S/B比可以看出,，BBHD結(jié)合340eV能量分辨率探測器對正極活性材料的分析提供了優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù),。
高質(zhì)量的數(shù)據(jù)適用于Rietveld精修以提取關鍵參數(shù)，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(shù)據(jù)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(jié)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(yōu)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(jié)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(shù)據(jù)質(zhì)量,，從而在XRD衍射數(shù)據(jù)中提供最佳的背景。這樣的高質(zhì)量數(shù)據(jù)可以用來確定關鍵參數(shù),，如陽離子混合和晶體尺寸,，以及正極材料的晶體相結(jié)構(gòu)。