FRINGE CLASS在電池材料質(zhì)量管控中的應用

前言

在眾多儲能技術中，鋰離子電池在能源存儲和轉化方面具有重要意義。目前占據(jù)便攜式移動電子設備的主要市場，同時全球電動車市場也在飛速發(fā)展，將導致鋰的需求量增加。然而，地球上鋰資源相對有限，鋰價格昂貴，難以滿足日益發(fā)展的需求。鈉離子電池由于鈉資源的豐富和低成本而引起了極大的關注，開發(fā)可替代的低成本鈉離子電池成為發(fā)展重點。

鈉離子電池的優(yōu)缺點

儲鈉材料Na4Fe3(PO4)2P2O7

鈉離子電池因資源豐富、環(huán)境友好等特性，在儲能領域的應用備受關注。正負極材料的開發(fā)是鈉離子電池技術商業(yè)化的關鍵。目前已有大量的鈉離子電池正極材料被報道，只有極少部分材料表現(xiàn)出了良好的電化學性能，如釩基磷酸鹽、鐵基磷酸鹽和普魯士藍類似物。并且，在實驗室成果商業(yè)化的過程中，這些材料也面臨著一些嚴重的問題，如釩基材料的高毒性和高成本，普魯士藍類似物的結構不穩(wěn)定性。在鐵基磷酸鹽中,磷酸焦磷酸鐵鈉(Na4Fe3(PO4)2P2O7)綜合了所有鐵基磷酸鹽的優(yōu)點：低成本、環(huán)境友好,高理論容量(129mAh g-1)，高平均工作電壓(約3.1V (vs.Na+/Na))和低體積膨脹(<4％)，被認為潛力的鈉離子電池正極材料。

在結構方面而言，Na4Fe3(PO4)2P2O7（NFPP）具有便捷的三維Na+傳輸通道，結構穩(wěn)定，體積應變小（< 4%）的優(yōu)點。然而，PO43-基團固有的隔離特性導致其電子導電性較差。研究人員開發(fā)了許多方法來提高其電子導電性和離子傳導性，如通過兩步固相法制備納米顆粒、溶膠凝膠法制備納米片和噴霧干燥法制備納米球，對NFPP進行碳包覆，制備分級碳修飾NFPP/C納米纖維等顯著提升了NFPP的儲鈉電化學性能。

商業(yè)化生產(chǎn)上也會對該鈉離子電池正極材料NFPP從結構上引入鐵缺陷，僅通過降低原料中鐵源含量即可簡單制備得到，無需新的原料和額外的合成工藝，對現(xiàn)有的制造工藝影響極小，易控制，制備得到的NFPP/C純度高，結晶度好，離子和電子導電率高，大大提高了正極材料的比容量和倍率性能，適宜于大規(guī)模生產(chǎn)應用。商業(yè)化的NFPP一般需要在配方比例、溫度控制、保溫時間等工藝段嚴格把控，確保合成目標產(chǎn)物的純度達標。X射線衍射儀能夠現(xiàn)場快速采集圖譜甄別雜質(zhì)相(原料相殘存、副反應產(chǎn)物)的衍射峰，從而為研發(fā)生產(chǎn)中工藝參數(shù)快速調(diào)整提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

1.沿著三維方向上擁有Pn21a空間群的Na4Fe3(PO4)2P2O7的多面體結構視圖

本文使用VESTA程序繪制Na4Fe3(PO4)2P2O7晶體結構示意圖,如圖1示，根據(jù)以往的研究報告，Na4M3(PO4)2P2O7 [M= Fe, Co, Ni, Mn, Mg ]屬于Pn21a空間群。FeO6八面體之間以共邊或共角連接，PO4四面體通過連接FeO6八面體從而形成沿b-c平面方向的一個層狀單元[M3P2O13]，這些層狀單元在a軸方向上通過P2O7基團連接從而形成了Na4Fe3(PO4)2P2O7的立體框架結構，這樣所形成的三維網(wǎng)絡結構在a、b、c三個方向上都存在鈉離子擴散通道，在這一結構中存在著四個不同的鈉位。四種類型的Na+位點位于3D離子通道中（如圖1），與1D離子通道中的離子擴散率相比，3D離子通道在離子擴散率會有更大優(yōu)勢，這是由于其他可選離子擴散路徑的存在。即使在3D離子通道的一個方向上基團離子遷移率存在缺陷，也存在其他可替代的擴散路徑。

應用案例

（1）樣品/制樣

本實驗采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的FRINGE CLASS桌面式X射線衍射儀，對某公司提供的電極材料進行檢測。

圖2. 待測電池材料

（2）測試參數(shù)設置

（3）結果與結論

圖3. 04040408-150-1衍射圖譜

圖4. 04010408-150-1衍射圖譜

圖5. 0331A0407-150-1衍射圖譜

圖6. 三種不同批次電極材料的X射線衍射圖譜

圖7. 三種不同批次電極材料的充放電比容量對比圖

（4）分析結果

1、圖4-7所示的衍射圖譜表明三種批次電極材料均為Na4Fe3(PO4)2P2O7，對應的PDF卡片為97-023-6316。

2、從圖7所示的三種批次電極材料的衍射圖譜對比來看，虛線框所展示的信息是在32.5°~33.1°雜質(zhì)相衍射峰強度差異。在此峰位處的衍射強度代表雜質(zhì)相含量的高低，而Na4Fe3(PO4)2P2O7純度直接影響其電池比容量。其與圖8所示的充放電比容量對比圖相對應。

（5）結論

FRINGE CLASS采集電池材料的衍射圖譜，能夠為電池材料的研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管控等提供強有力的數(shù)據(jù)支撐，如生產(chǎn)質(zhì)量管控中快速預估批次材料的電池性能，為快速調(diào)整產(chǎn)線工藝確保高效的生產(chǎn)質(zhì)量。