新南威尔士大学AEM：石墨电极功能分析的策略

自从锂离子电池商业化以来，石墨一直是作为负极主体结构无可争议的首选材料，因此对于其无处不在的采用和实施至关重要。尽管致力于发现和开发替代负极材料候选者开展了广泛的研究工作，但迄今为止还没有确定商业上可行的继任者。同时，人们对石墨电极功能的认识也在不断扩展，并在探索合理提高性能的新策略。在这里，关键的挑战在于检查石墨材料，不仅是在纯制备状态下，而且在形成电极和电化学循环期间，即原位/运行过程中。需要一种多尺度方法来准确地将所涉及的（脱）锂化/（脱）嵌入机制与观察到的性能联系起来。

澳大利亚新南威尔士大学Henrik Lyder Andersen等总结了传统技术，并重点介绍了用于表征石墨基电极结构和功能的分析方法的最新进展。该讨论基于最近使用创新分析策略的关键工作实例，以获得结构、微观结构、电子结构、表面化学/成分演变的新见解，从这些创新方法中获得的对材料功能的更深入理解可能是下一代石墨基或石墨电极合理设计的关键。

图1 石墨电极的研究

使用传统实验室衍射仪收集的非原位粉末XRD（PXRD）数据与正确执行的Rietveld分析相结合，可以对样品中存在的结晶石墨嵌入化合物的结构参数和相组成进行相对准确的定量描述。不幸的是，文献中的许多研究只是使用PXRD对所需化合物的主峰进行粗略的定性索引。这在很大程度上忽略了数据中的大量可用信息，并使随后对电化学行为的解释或多或少没有根据。

虽然同步辐射X射线或中子粉末衍射数据可能提供更高质量的数据，从而允许研究更细微的特征，但人们错误地认为，大型辐射设施仪器的射束时间始终是进行精确结构分析所必需的。

同样，电子显微镜技术（SEM 和 TEM）可以很容易地用于很好地了解样品的一般微观结构特征，例如晶粒尺寸、形态和形状，而样品表面和SEI成分可以通过XPS、扫描电镜、FTIR等表征。没有此基础，任何结论，例如，电化学性能/性能或电池失效变得毫无意义，因为它们无法可靠地合理化或纳入现有文献的范围。

图2 LixC的粉末XRD表征

虽然非原位表征技术可以提供出色的简要表征，但它们并不总是允许对电池运行过程中真正的动态机制作出结论。此外，由于样品提取和测量准备可能会影响/改变材料，因此不清楚非原位观察在多大程度上代表了真实的“电池内”行为。

大规模辐射技术的进步和定制设置促进了电池中活性电极材料的实时表征和功能期间的实时表征，例如原位X射线/中子衍射。例如，原位数中子散射数据对于揭示功能过程中块状晶体石墨嵌入化合物(GIC)相演化的新细节特别有用。同样，微结构、SEI成分和功能、电子结构等原位数表征的创新分析技术的改进和/或发展，继续为石墨负极的运行机制提供新的和更详细的见解。

图3 NMC/石墨全电池的原位7Li NMR表征

Strategies for the Analysis of Graphite Electrode Function. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102693

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