锂电池、石墨负极极片中取向比检测方案(X射线衍射仪)

SSL-CA20-651Excellence in Science Excellence in ScienceXRD-037 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD.-Analytical Applications CenterEmail： sshzyan@shimadzu.com.cnTel：86(21)34193996http：//www.shimadzu.com.cn 岛津 XRD 快速表征锂电池石墨负极极片取向比 XRD-037 摘要：六方结构的石墨作为负极材料中的活性物质，在锂离子电池中有着广泛的应用。石墨为六方层状结构，在极片制备过程中，容易产生择优取向，而取向程度会直接影响锂离子的扩散速率及极片的振实密度。石墨层状结构的取向比(OI)可通过石墨(004)衍射峰与(110)衍射峰的强度比进行快速表征。本文使用岛津XRD 对某石墨极片进行了测试，并采用峰强度比l(004)/I(110)计算得到该石墨极片样品取向比OI为2.36，测试结果可为石墨负极极片工艺控制及优化提供科学可靠的指导。 作为锂离子电池关键组成之一的负极极片，是由活性物质、黏合剂和添加剂制成糊胶状胶合剂后，涂布在集流体铜箔两侧，经过干燥、辊压制得。与其它活性材料相比，六方结构的石墨具有导电性高、结晶度好、工艺成熟，成本较低等特性，加之其良好的层状结构和充放电电压也十分适合合离子的脱/嵌运动，因此，六方结构石墨在锂电池负极材料中得到了广泛应用。 图1六方石墨晶体结构示意图 六方石墨为层状结构(图1)，层与层之间面间距(d(002))较大，锂离子在平行于(002)面方向的扩散速度比垂直方向的扩散速度大的多(约10倍)。在极片制备过程中，辊压、烘干等工序往往会改变层状结构粉末的择优取向。层状结构垂直于集流体的概率越大，即(002)面垂直于集流体的择优取向越大，越有利于锂离子的脱/嵌运动(图2)。 图2不同取向的石墨极片锂离子迁移示意图 X射线衍射仪可对石墨极片取向程度进行快速表征：将电极极片的表面作为测试面，对于 Bragg-Brentano 衍射几何，只有和极片表面平行的晶面衍射光束方能进入检测器，因此， (002)或(004)面的衍射信号来自于层结构平行于极片的石墨，而在六方晶胞中(110)面垂直于(002)面，故(110)面的衍射信号来自于层结构垂直于电极片的石墨，因此，，可以用(002)或(004)与(110)衍射峰强度之比来表征石墨电极的取向性，公式如下： 式中，Ol (orientation index) 即为石墨电极取向比，或称配向比。 本文使用岛津 XRD 对某石墨极片进行了测试，并依据上述公式计算了石墨取向比，测试结果可为工艺控制及优化提供科学可靠的指导。 实验部分 1.1仪器 岛津X射线衍射仪XRD-7000 1.2分析条件 表1 XRD 测试参数 仪器 ： XRD-7000 发散狭缝 ： 1° 激发源 CuKa，入=0.15406 nm 防散射狭缝 1° 单色化 石墨单色器 接收狭缝 0.3mm 管压/管流 40 kV/40 mA 步长/时间 全谱0.02/0.6s 精扫0.01°/5s 扫描模式 ： 步进扫描 0/20 (Step-scan) 角度范围 ： 10-90° 1.3样品处理 石墨粉末样品，无需处理，取适量置于铝样品池，轻轻压平，直接上机测试。 对利用该石墨粉末样品制备而成的负极极片样品，裁剪成合适尺寸后，平整紧密地贴覆于镂空铝样品板上，直接上机测试，如图3所示。 图3石墨极片测试实物图 结果与讨论 石墨粉末样品实测衍射谱图见图4，衍射峰峰形尖锐，显示样品结晶良好。 图4 石墨极片样品衍射谱图 对照 ICDD-PDF卡片库，完成该石墨粉末样品物相鉴定，结果如图5所示，为凸显弱峰，纵坐标做了开根号处理；结果表明，该样品物相为石墨-2H晶型，即六方结构石墨，未发现其它物相。 图5石墨极片样品物相鉴定结果 对利用上述石墨粉末样品作为活性物质，并经辊压、烘干等工艺处理后制备的负极极片样品，经裁剪后上机测试，分别选取石墨 峰进行局部精细扫描，测试结果如图6所示。 图67六方石墨(004)与(110)谱峰精扫 经过软件处理，可直接读出两个衍射峰的积分强度并依据公式 0I=l(004)/I(110)计算得到该石墨极片取向比，结果见表2。 表2石墨极片样品取向比计算结果 (004) (110) 01 石墨极片样品 86334 36570 2.36 活性物质取向比OI值越小，层状结构垂直于集流体表面的概率越大，则锂离子嵌入和脱出的速度越大，但难以增加施压后的电极振实密度，进而限制放电容量的增加；如果取向比过大，则电池在充电时可能会出现大的电极膨胀，难以增加单位体积的电池容量；因此业内通常希望将石墨的取向控制在合适的范围内，综合研究取向比对振实密度及电性能的影响，进而优化出最佳工艺。 结论 使用岛津 XRD对某石墨粉末及其制备而成的极片样品进行了测试，对照 ICDD-PDF卡片库完成物相鉴定，结果表明该石墨粉末样品为纯相的六方结构石墨；采用峰强度比l(004)/I(110)计算得到该石墨极片样品取向比Ol 为 2.36。上述方法，可拓展用于研究取向比与振实密度及电性能之间的关系，进而可为石墨负极极片工艺控制及优化提供科学可靠的指导。 岛津应用云 使用岛津XRD对某石墨粉末及其制备而成的极片样品进行了测试，对照ICDD-PDF卡片库完成物相鉴定，结果表明该石墨粉末样品为纯相的六方结构石墨；采用峰强度比I(004)/I(110)计算得到该石墨极片样品取向比OI为2.36。上述方法，可拓展用于研究取向比与振实密度及电性能之间的关系，进而可为石墨负极极片工艺控制及优化提供科学可靠的指导。