基于X射线谱学成像技术的锂离子电池正极材料稳定性研究

发布时间：2021-04-28 21:54

　　随着高亮度、高准直性、光谱连续可调的同步辐射光源的不断升级,X射线成像技术也得到了进一步发展。对比于可见光和电子,X射线拥有波长短、穿透性强等特点,这些优点使其在无损、高分辨成像上得到了广泛的应用。此外,随着光源亮度的不断提升,具有时间分辨的原位成像方法的发展使得对非稳态科学问题的研究成为可能。为了实现对研究目标的功能成像,X射线谱学成像技术近年来得到了快速的发展。通过结合X射线近边吸收谱和X射线成像技术,可以得到样品结构和感兴趣元素价态的联合表征,从而实现样品形貌及功能的关联分析。近年来,这种联合表征技术已经应用于多个科研领域,包括能源材料、工业催化以及环境科学等。在能源材料领域中,随着消费电子产品和电动车的广泛应用,发展更高能量密度和更好安全性的锂离子电池已经成为了一个科研热点,锂离子电池是一个十分复杂的化学体系,对其进行研究通常要结合多种时间和空间尺度的表征,例如宏观尺度下的X射线衍射技术,以及微观尺度下的透射电子显微镜技术等。但在介观尺度下,只有X射线谱学成像技术可以完成对电极颗粒的形貌及化学行为复杂性的关联研究。因此,发展X射线谱学成像技术在锂离子电池中的应用研究,不仅能够填... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：130 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 X射线被物质吸收的物理过程
    1.3 同步辐射光源发展
        1.3.1 同步辐射光源发展史概述
        1.3.2 国内同步辐射装置现状
    1.4 同步辐射X射线成像技术
        1.4.1 全场透射X射线显微镜(TXM)
        1.4.2 扫描透射X射线显微镜(STXM)
        1.4.3 同步辐射纳米分辨X射线成像技术的应用
    1.5 锂离子电池
        1.5.1 锂离子电池的结构及工作原理
        1.5.2 锂离子电池正极材料
        1.5.3 基于同步辐射的锂离子电池正极材料表征手段
    1.6 本论文的选题背景和研究内容
第2章 同步辐射纳米分辨全场X射线谱学成像
    2.1 同步辐射纳米分辨全场X射线显微成像实验站简介
    2.2 同步辐射纳米分辨全场X射线谱学成像原理
        2.2.1 X射线近边吸收谱原理简述
        2.2.2 X射线成像技术原理简述
        2.2.3 谱学成像技术原理简述
        2.2.4 谱学成像技术焦距与放大率
    2.3 同步辐射纳米分辨X射线谱学成像实验流程
    2.4 同步辐射纳米分辨X射线谱学成像技术数据处理
        2.4.1 双能成像数据处理
        2.4.2 吸收谱成像数据处理
    2.5 同步辐射纳米分辨X射线谱学成像数据分析
        2.5.1 形貌定量分析
        2.5.2 元素分布、价态与材料功能关联分析
        2.5.3 数据挖掘算法在成像数据分析中的应用
    2.6 本章小结
第3章 无序岩盐结构Li_(1.3)Ta_(0.3)Mn_(0.4)O_2脱锂机理研究
    3.1 引言
    3.2 样品制备及电化学表征
        3.2.1 LTMO的材料制备
        3.2.2 LTMO的电化学性能表征
        3.2.3 用于纳米分辨X射线谱学成像实验的样品准备
    3.3 实验方法
        3.3.1 衍射实验
        3.3.2 纳米分辨X射线谱学显微成像实验
        3.3.3 硬X射线吸收谱实验
    3.4 实验结果及讨论
        3.4.1 利用X射线/中子衍射表征Li_xTMO正极材料的电化学性能
        3.4.2 Li_xTMO颗粒中Mn离子的二维价态分布
        3.4.3 Li_xTMO颗粒形貌研究
        3.4.4 Li_xTMO阳离子短程有序结构演化过程
        3.4.5 Li_xTMO颗粒脱锂过程中的特征参量变化
    3.5 本章小结
第4章 高镍三元正极材料NMC622的热稳定性研究
    4.1 前言
    4.2 样品制备及电化学表征
        4.2.1 NMC622正极材料的制备
        4.2.2 电化学性能表征
    4.3 实验方法
        4.3.1 纳米分辨X射线谱学成像实验
        4.3.2 软X射线吸收谱
        4.3.3 扫描电子显微镜/能量色散光谱仪
    4.4 实验结果及讨论
        4.4.1 加热过程中NMC622颗粒中Ni离子的二维价态分布
        4.4.2 加热驱动的表面与体相化学性能变化
        4.4.3 加热驱动的样品颗粒机械性能变化
        4.4.4 加热导致的锂盐析出
    4.5 本章总结
第5章 高镍三元正极材料NMC811的热稳定性研究
    5.1 引言
    5.2 样品制备
    5.3 实验方法
        5.3.1 原位加热X射线衍射实验
        5.3.2 非原位加热硬X射线吸收谱实验
        5.3.3 非原位加热软X射线吸收谱实验
        5.3.4 原位加热X射线拉曼光谱实验
        5.3.5 原位加热纳米分辨X射线谱学成像实验
    5.4 实验结果及讨论
        5.4.1 XRD表征加热驱动的NMC811材料相变
        5.4.2 XANES表征加热驱动的过渡金属元素体相价态变化
        5.4.3 sXAS表征加热驱动的过渡金属元素表面价态变化
        5.4.4 拉曼光谱表征加热驱动的过渡金属元素体相价态变化
        5.4.5 谱学成像表征加热驱动的二次颗粒内部化学不均匀性变化
        5.4.6 三维谱学成像表征颗粒尺寸与还原价态的关系
    5.5 本章小结
第6章 谱学成像技术在各向异性单晶样品上的应用
    6.1 引言
    6.2 各向异性和各向同性结构样品的二维谱学成像结果对比
    6.3 LiCoO_2的材料制备及实验过程
        6.3.1 LiCoO_2的材料制备
        6.3.2 谱学成像实验
    6.4 实验结果及讨论
        6.4.1 新制备LiCoO_2单晶颗粒提取的吸收谱随入射光角度的变化
        6.4.2 各向异性单晶样品中表征价态变化的特征参量研究
        6.4.3 峰值能量作为价态表征特征参量研究充电态LiCoO_2单晶颗粒
        6.4.4 峰值能量作为特征参量研究过度脱锂的LiCoO_2单晶颗粒
    6.5 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
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[2]前沿物理大科学装置数据策略的一些思考[J]. 陈刚.  中国科学院院刊. 2018(08)
[3]X射线自由电子激光单颗粒成像研究[J]. 孙智斌,范家东,江怀东.  物理. 2018(08)
[4]X射线自由电子激光[J]. 赵振堂,冯超.  物理. 2018(08)
[5]X射线纳米成像单毛细管椭球镜的设计与检测[J]. 陶芬,王玉丹,任玉琦,丰丙刚,佟亚军,杜国浩,邓彪,孙天希,谢红兰,肖体乔.  光学学报. 2017(10)
[6]锂离子电池基础科学问题（Ⅻ）——表征方法[J]. 李文俊,褚赓,彭佳悦,郑浩,李西阳,郑杰允,李泓.  储能科学与技术. 2014(06)
[7]锂离子电池基础科学问题（VII）——正极材料[J]. 马璨,吕迎春,李泓.  储能科学与技术. 2014(01)
[8]基于双三次插值算法的图像缩放引擎的设计[J]. 张阿珍,刘政林,邹雪城,向祖权.  微电子学与计算机. 2007(01)



本文编号：3166238