北京中研環(huán)科
圍繞科研 服務(wù)科研
原位XAFS表征系統(tǒng)
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隨著同步輻射技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于材料科學(xué)來(lái)說(shuō)，同步輻射光源可以使科學(xué)家獲得發(fā)生在原子水平的材料形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像，這些過(guò)程包括生長(zhǎng)機(jī)制、相變過(guò)程、固態(tài)作用、裂縫擴(kuò)散、高分子聚合物硬變、交界面過(guò)程和其他與時(shí)間相關(guān)的過(guò)程，它們是發(fā)明優(yōu)秀新材料不可或缺的“源頭信息”。
鑒于目前國(guó)內(nèi)三大同步輻射光源機(jī)時(shí)十分稀缺的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，北京中研環(huán)科科技有限公司一直秉承將先進(jìn)同步輻射技術(shù)延伸至實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的理念，先后獨(dú)立自主設(shè)計(jì)開發(fā)了基于實(shí)驗(yàn)室光源的X射線吸收、成像和衍射原位測(cè)試平臺(tái)。這些原位測(cè)試平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)匹配各類原位工況實(shí)驗(yàn)條件的在線檢測(cè)功能，同時(shí)，得益于原位表征系統(tǒng)內(nèi)在方法學(xué)的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中原位反應(yīng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能和一鍵式操作功能，真正意義上解放實(shí)驗(yàn)人員的雙手。
其中，原位XAFS表征系統(tǒng)已經(jīng)成為表征能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化材料等熱點(diǎn)領(lǐng)域的重要手段之一。得益于X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（包括XANES和EXAFS）對(duì)中心吸收原子的局域結(jié)構(gòu)及其化學(xué)環(huán)境十分敏感的特性，因而，利用原位XAFS表征系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在原子尺度上某一吸收原子周圍幾個(gè)臨近配位殼層的結(jié)構(gòu)信息。這包括吸收原子的電子結(jié)構(gòu)信息，配位原子種類、配位數(shù)、無(wú)序度等精細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。這將為探索各類化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、改善功能材料、設(shè)計(jì)新型功能材料等提供理論指導(dǎo)。同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)中的各種原位測(cè)試功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)反應(yīng)中材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)變化，更加精準(zhǔn)和快速的分析能源與環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
Part.02
中研環(huán)科Deep Inspectra X1實(shí)驗(yàn)室XAFS譜儀與同步輻射XAFS數(shù)據(jù)比較（實(shí)驗(yàn)室采譜時(shí)間均為28min，20ev<e0<30ev< span="">區(qū)間范圍設(shè)置為0.5ev步長(zhǎng)）
1.金屬Ni foil的數(shù)據(jù)對(duì)比圖
2. 不同濃度NiO的數(shù)據(jù)對(duì)比圖
Part.03
鋰離子電池（LIBs）的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了新能源電動(dòng)汽車行業(yè)的進(jìn)步，這也是可持續(xù)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵一步。由于其優(yōu)越的能量和功率密度，高鎳層狀正極材料（LiNixCoyAlzO2 (NCA)和LiNixMnyCo1?x?yO2 (NMC，x≥0.5)）是LIBs中最有潛力的候選材料之一。同時(shí)得益于其鈷含量較低，使得高鎳正極材料在比容量，成本以及環(huán)境友好等方面都極具競(jìng)爭(zhēng)力。然而，與它們的低Ni含量材料相比，高鎳正極材料卻更容易在鋰嵌入/脫出過(guò)程中發(fā)生各類晶體結(jié)構(gòu)變化，尤其是在高荷電狀態(tài)（SoCs）下的快速晶格崩潰，這直接導(dǎo)致了該類材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的電化學(xué)性能衰減問(wèn)題：如循環(huán)壽命更差，更容易發(fā)生熱失控等。此外，各類研究還表明：高鎳材料的表面更容易經(jīng)歷氧損失和伴隨的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如從最初的層狀結(jié)構(gòu)到尖晶石和/或巖鹽相的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，或形成更致密的結(jié)構(gòu)如Ni0.25NiO2和Ni0.5NiO2。這類表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生更差的鋰離子導(dǎo)體，并且被認(rèn)為會(huì)阻礙鋰化和脫鋰，并最終損壞電池性能。為了將來(lái)能夠更好的應(yīng)用該類電極材料，就需要對(duì)該類材料進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)解析，如果可以，能夠?qū)崿F(xiàn)電池原位工況條件下的在線檢測(cè)，將能夠在很大程度上幫助研究人員獲知其中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，為進(jìn)一步改善其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提升電化學(xué)性能提供更好的解決方案。
為了嘗試解決上述問(wèn)題，我們利用北京中研環(huán)科科技有限公司自主設(shè)計(jì)、搭建的原位XAFS表征系統(tǒng)對(duì)不同的高鎳電極材料以及相關(guān)的軟包電池進(jìn)行了初步的預(yù)實(shí)驗(yàn)，期望能夠?yàn)樵擃I(lǐng)域的研究人員提供一些新的思路和解決方案。
軟包電池高鎳體系LiNi0.9Co0.1O2工況測(cè)試數(shù)據(jù)from中研環(huán)科原位XAFS表征系統(tǒng)：
實(shí)驗(yàn)室XAFS吸收譜儀與同步輻射線站數(shù)據(jù)對(duì)比-1
實(shí)驗(yàn)室XAFS吸收譜儀與同步輻射線站數(shù)據(jù)對(duì)比-2
軟包電池常溫環(huán)境下充電過(guò)程中的原位XANES數(shù)據(jù)
軟包電池高溫環(huán)境（60℃）下充電過(guò)程中的原位XANES數(shù)據(jù)
通過(guò)比較高溫和室溫環(huán)境下，軟包電池充放電過(guò)程中的XANES數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)：1. 雖然基于實(shí)驗(yàn)室光源的原位XAFS表征系統(tǒng)在光通量上表現(xiàn)不足（同步輻射光源采用快掃模式，15s一組XANES譜，實(shí)驗(yàn)室光源需要8min），但在軟包電池這種實(shí)際工況條件下的原位實(shí)驗(yàn)仍然是可以實(shí)現(xiàn)的，而且其實(shí)際工況條件的結(jié)構(gòu)變化仍然是準(zhǔn)確的；2. 基于中研環(huán)科自主研發(fā)設(shè)計(jì)的各類原位測(cè)試裝置不僅能夠很好的適用于我們的原位XAFS表征系統(tǒng)，同樣也能夠很輕松的移植應(yīng)用于同步輻射光源。
軟包電池實(shí)際工況測(cè)試場(chǎng)景
Part.04
相比于同步輻射光源而言，基于實(shí)驗(yàn)室光源的原位XAFS表征系統(tǒng)雖然在光通量上無(wú)法與其比擬，但卻可以作為彌補(bǔ)其機(jī)時(shí)不足的第二選擇，并在普通粉末樣品預(yù)篩選、各類原位實(shí)驗(yàn)的預(yù)處理以及前期條件摸索方面均能夠提供巨大的幫助。特別是在各類原位實(shí)驗(yàn)中，得益于原位XAFS表征系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室光源，其本身不僅具有很好的便攜性質(zhì)，更重要的是，其機(jī)時(shí)充足，可以進(jìn)行大量原位實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作以及各位先進(jìn)原位表征方法學(xué)的探究，為未來(lái)在同步輻射光源上展開的各類先進(jìn)原位測(cè)試搭建一個(gè)更好的應(yīng)用平臺(tái)。北京中研環(huán)科一直致力于推動(dòng)各類先進(jìn)原位表征技術(shù)的進(jìn)步，由公司自主設(shè)計(jì)的各類原位cell以及其表征系統(tǒng)均能夠很好地適配到各個(gè)同步輻射光源上，實(shí)現(xiàn)一套方案兩個(gè)解決方案的最終目標(biāo)，為實(shí)驗(yàn)室原位研究和同步輻射原位研究搭建起真正的橋梁。
其他各類原位工況XAFS研究持續(xù)更新中，敬請(qǐng)期待。。。。
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