富鎳層狀氧化物，如LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC811)，被認(rèn)為是有潛力和希望的下代鋰離子電池正材料。與目前主流動(dòng)力電池上使用的NMC532，NMC622型電池相比，NMC811具有更高的能量密度和相對(duì)較低的成本。然而，NMC811電池在 4.4 V截止電壓下的次循環(huán)中會(huì)有約15%的容量損失。此外，該結(jié)構(gòu)由于充電后潛在的氧氣損失及循環(huán)過程中的降解會(huì)導(dǎo)致容量衰減和相關(guān)的安全問題。為了解決這些問題，紐約州立大學(xué)的Whittingham教授在通過連續(xù)共沉淀方法實(shí)現(xiàn)用鋁替代錳，使得NMC811正材料的電化學(xué)性能得到了大的提高。相關(guān)研究成果發(fā)表于The Electrochemical Society, 2021, 168, 050532.。

圖1. (a) 不同Al³⁺摻雜量下，合成樣品的XRD圖譜 (b) 不同摻雜量樣品的Ni K edge XANES譜圖（XES150測(cè)得）

如圖1所示，研究人員將用共沉淀法將微量的Al摻雜到NMC811正材料中，摻雜比例分別為2%，3%，4%和5%。圖a為摻雜前后樣品的X射線衍射圖譜?？梢钥闯鯝l的摻雜量在4%以內(nèi)時(shí)，樣品的XRD圖沒有明顯的變化。當(dāng)摻雜量繼續(xù)提升到5%后，出現(xiàn)了LiAlO₂雜質(zhì)峰。通過XRD精修表明，經(jīng)過Al替代Mn實(shí)現(xiàn)摻雜后，NMC811材料的晶格參數(shù)（a, c）及晶胞體積有所下降。主要的原因是Al-O鍵長(zhǎng)比Mn-O鍵長(zhǎng)短。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)材料中的電荷補(bǔ)償，部分Ni²⁺會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镹i³⁺，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)降低。因?yàn)镹i²⁺的半徑和Li⁺半徑非常接近，些Ni²⁺會(huì)從過渡金屬層遷移至鋰層，這對(duì)與充放電過程中Li⁺的遷移十分不。而經(jīng)過Al³⁺摻雜后，占據(jù)Li⁺位置的Ni²⁺比重不斷下降。如圖1b所示，美國(guó)easyXAFS公司臺(tái)式XES150儀器成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量XANES圖譜的采集。圖中可以看出，隨著Al³⁺摻雜量的提升，樣品中Ni的吸收邊位置不斷增大，反應(yīng)了Ni氧化態(tài)的不斷提升。又因?yàn)樵摌悠分蠳i的存在形式只有Ni²⁺和Ni³⁺，所以可以判斷Al³⁺摻雜量的提升可有效的降低Ni²⁺的比例，從而實(shí)現(xiàn)NMC811電化學(xué)性能的充分提升。而旦摻雜量超過4%以后，對(duì)于的Al³⁺會(huì)是的材料整體扭曲過大，不于整體穩(wěn)定性。該項(xiàng)研究為該鋰電域中進(jìn)步提升電池容量和穩(wěn)定性提供了重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

如圖2所示，美國(guó)easyXAFS公司已開發(fā)出新臺(tái)式型號(hào)X射線吸收譜/發(fā)射譜easyXAFS300+儀器，這將助力更多科研工作者在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中完成X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量和分析，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的科學(xué)研究。

圖2. easyXAFS公司的臺(tái)式XAFS/XES譜儀

實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式XAFS譜儀勢(shì)：

1. 臺(tái)式設(shè)計(jì)，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)隨時(shí)滿足日常樣品分析；

2. LabVIEW軟件腳本控制，附帶7位自動(dòng)樣品輪, 可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)樣品或樣品參數(shù)條件下的測(cè)試；

3. 可集成輔助設(shè)備，控制樣品條件，適用于對(duì)空氣敏感的樣品的檢測(cè)或些原位測(cè)試，如原位的鋰電池或電催化實(shí)驗(yàn)測(cè)試，監(jiān)測(cè)電/催化材料的結(jié)構(gòu)變化；

4. 臺(tái)式XAFS/XES譜儀具有XAFS和XES兩種工作模式，可快速切換，滿足不同科研試驗(yàn)需求;

5. 臺(tái)式XAFS/XES譜儀測(cè)得的譜圖效果可以媲美同步輻射數(shù)據(jù)，如圖3所示，其測(cè)得的Ni元素的EXAFS，Ce和U元素的L₃-edge的XANES譜圖數(shù)據(jù)與同步輻射光源譜圖效果*致；

圖3. （a, b）臺(tái)式XAFS/XES譜儀與同步輻射光源測(cè)得的Ni EXAFS及傅里葉變換后R空間對(duì)比譜圖, （c、d）Ce和U L₃-edge XANES譜圖數(shù)據(jù)對(duì)比圖

6. 多種型號(hào)和配置可選，滿足不同科研要求；

7. 操作便捷，維護(hù)成本低，安全可靠.

參考文獻(xiàn)：

[1] B. Pei, H. Zhou, A. Goel, M. Zuba, H. Liu, F. X. Xin, M. S. Whittingham. Al Substitution for Mn during Co-Precipitation Boosts the Electrochemical Performance of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂[J]. The Electrochemical Society, 2021, 168, 050532.

相關(guān)產(chǎn)品：

XAFS/XES 臺(tái)式X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀