前 言
随着新能源快速发展，电池正向高能量密度、长循环寿命、快速充电和高安全性方向不断升级。从锂离子电池到锂硫电池、全固态电池等新体系，其性能均与电极材料充放电过程中的结构演变密切相关。仅依靠电化学数据难以揭示性能变化背后的结构原因，而X射线衍射（XRD）能够精准解析材料物相、晶格变化及结构演变，并结合原位/工况测试揭示“材料结构—电化学反应—电池性能”之间的关联，为电池材料研发提供关键支撑。
XRD在电池领域的具体应用
1. 晶体结构分析
正极材料在长期充放电过程中会反复经历锂离子的脱出与嵌入，并伴随晶格膨胀、收缩以及局部机械应力积累。这些结构变化通常会直接反映在XRD衍射峰的峰位、峰宽和峰形上。Ji等人对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)材料进行了长循环后的结构分析[1]。
图1 正极材料经过150个循环后的结构和形态演变
通过对比原始状态与循环后样品的XRD图谱可以发现，R-NCM-PM的（003）峰仍保持尖锐，且峰位和峰宽变化较小；而P-NCM表现出明显峰展宽，衍射峰展宽通常表明材料内部的晶格参数分布变得更加离散，可能与微应变增加、局部结构无序以及晶畴完整性下降有关。而较稳定的晶格结构能够有效缓解应力积累，经实验证明，NCM523在4.5V的高截止电压下经过300次循环后，仍能保持82.6%的初始容量。
2. 厚电极晶体结构演变分析
高能量密度电池通常需要提高正极活性材料的面载量，但随着电极厚度增加，锂离子的传输路径会相应延长，容易造成电极不同深度区域反应不同步。此时，即使电池整体达到相同的截止电压，靠近电解质侧与靠近集流体侧的活性材料也可能具有不同的脱锂程度。Luan等通过XRD对面容量分别为3和6 mAh cm⁻²的NCM正极进行分析[2]。
图2 不同面容量NCM正极充电后的XRD图谱
面容量 3 mAh・cm⁻² 与 6 mAh・cm⁻² 的正极在充电前后集流体侧的XRD图谱，充电后两者（003）衍射峰均向高角度偏移，表明锂脱出导致 c 轴晶格参数收缩，且较薄正极（3 mAh・cm⁻²）的峰偏移量（Δ2θ=0.78°）大于较厚正极（Δ2θ=0.62°），说明较厚正极集流体侧锂脱出不完全，同时较厚正极（003）峰宽化更明显，说明被测区域内不同颗粒或不同微区的晶格状态更加分散，反映其结构无序度与应力积累更高。
3. 硫可逆反应中的相变分析
锂硫电池的电化学反应不同于传统层状正极中的锂离子嵌入与脱出，而是经历由单质硫、多硫化锂到 Li₂S₂/Li₂S 的多电子、多相转化过程。反应路径复杂，且生成的中间体容易在电解液中迁移，从而引起穿梭效应和活性物质损失。Tang 等利用原位 XRD 对 Mn₃O₄@CNF 和 Co₉S₈–Mn₃O₄@CNF 两种硫正极的充放电相变过程进行了连续跟踪[3]。
图3 同催化电极中硫物种的原位 XRD 演化
放电过程中，S₈ 特征衍射峰逐渐减弱，而 Li₂S 峰逐渐出现；充电时，Li₂S 峰重新减弱，S₈ 峰再次生成，直接反映了硫正极中固态反应物和产物之间的可逆转化。与单一 Mn₃O₄@CNF 相比，Co₉S₈–Mn₃O₄@CNF 电极表现出更加连续和可逆的 S₈/Li₂S 相变响应，说明异质界面能够促进中间体向产物的转化，并改善 Li₂S 在充电过程中的氧化分解。硫物种的充分快速转化有助于减少中间体滞留，缓解穿梭效应和活性硫损失。
国科D-POWER/D7 Mate，以先进X射线衍射技术赋能电池材料结构研究。针对锂离子电池、固态电池等领域中的物相鉴定、晶体结构分析、充放电过程中的相变追踪以及材料稳定性评价等需求，提供从数据采集到智能分析的一体化解决方案。凭借高灵敏探测、高精度测量和智能化分析能力，帮助科研人员快速揭示电池材料结构变化背后的性能机制，推动新能源材料创新发展。
参考文献：
[1] Ji, G, Zheng, N, Chen, Y, et al. All-Dry and Scalable Direct Recycling of Spent Ternary Black Mass Toward Long-Life Ah Level Pouch Cell. Advanced materials, 2026, 38 31, e73177.
[2] Luan T, Zhang H, Ji Y, et al. Electrode Engineering Strategy for 400 Wh kg⁻¹ All-Solid-State Pouch Cells: Spatial Optimization of Charge Carriers Based on Electron and Ion Transport Flux. Advanced Functional Materils, 2026, 36, e26239.
[3] Tang X, Wang H, Jiao X, et al. Nearly barrier-free cascaded sulfur reduction reaction realizes 2-Ah-level stable lithium-sulfur pouch cell. Nano Research, 2026, 19(4): 94908170.
