應用 | 為什么電池容量越用越少？原位XRD告訴你：材料“悄悄”變了相！

電池容量衰減的真相是什么？ 無論是鈉電、鋰電還是其他儲能體系，電極材料在循環過程中容量衰減一直是研發人員頭疼的問題。傳統的事后分析往往只能“看到結果"，卻無法“捕捉過程"。  直到原位XRD技術的出現，我們才真正“看"到了材料在充放電過程中的動態結構變化。 

一、XRD分析的核心優勢：從“靜態"到“動態" 

NaFeNb（磷酸鹽）3，NFNP 材料已被設計為鈉離子電池的候選陽極材料，因其原始形態結合了Fe（III）和Nb(V)的存在——這些元素在鈉插入時可能被還原——使得在合理電位下正式引入3個鈉離子成為可能，同時其堅固的nasilicon結構具有開放通道供鈉遷移。在一項發表于《Chemistry of Materials》的研究中，科學家們探究了一種新型鈉電負極材料NaFeNb(PO?)?（簡稱NFPN）。雖然該材料初始容量良好，但循環后性能持續下降。

通過 原位XRD技術 ，研究團隊發現：

- 能捕捉到 ：材料在充放電過程中從 三方晶系（R-3c）逐漸轉變為三斜晶系 ；

- 過程可視化 ：相變隨循環逐漸累積，導致部分電對失活；

- 機制揭示 ：不可逆相變是容量衰減的 根本原因 。

這項研究不僅解釋了性能衰減機理，也為后續材料優化提供了明確方向。

圖1：NaFeNb(PO4)3, NFNP的循環過程中的相變現象的原位 XRD 和 XAS 分析

非原位與原位XRD對比：

 原位XRD的三大優勢：   

1.  實時動態監測 ：在電池工作狀態下連續采集數據，捕捉結構演變全過程；  

2.  高分辨與高靈敏度 ：識別微小相變、晶格畸變、雜質相生成； 

3.  與電化學數據同步 ：結構變化與電壓/電流曲線直接關聯，機制清晰可見。

二、XRD在電池材料研究中的廣泛應用場景 

-  電極材料開發 ：揭示充放電過程中的相變機制

-  固態電解質研究 ：觀察界面反應與結構穩定性

-  快充性能評估 ：捕捉高倍率下的結構響應與退化

-  循環壽命分析 ：追溯材料結構演變與容量衰減的關系

三、 為什么選擇原位XRD？因為它回答的是“過程問題" 

傳統表征只能告訴你“材料最后怎么樣了"，而 原位XRD能告訴你“材料是怎么變成這樣的" 。  

在電池材料研發進入“深水區"的今天，理解動態行為比觀察靜態結果更為重要。

四、 推廣寄語：用動態視角，看見材料的“生命過程" 

從理解衰減機制，到優化材料設計，再到提升器件性能—— 讓XRD成為你研發過程中的“眼睛" 。

貝拓科學專業研發設計生產的BRAGG二位超快原位多晶X射線衍射儀采用先進的X射線衍射技術，能夠快速、精確地進行晶體結構分析、相態識別和定量分析。BRAGG具有高分辨率和靈敏度，可以應對多種樣品類型，包括粉末、液體、固體等，也可搭載原位電池、原位變溫等多功能附件；它還配備了用戶友好的軟件界面，方便用戶進行數據處理和分析。這款儀器適用于多個領域，包括材料科學、地球科學、化學等，為研究人員和工程師提供了強大的分析工具。

 關鍵詞 ：原位XRD、電池材料、相變分析、容量衰減、結構表征、動態監測  

 適用對象 ：電池企業研發、高校研究所、材料科學實驗室、電化學研究人員

更多詳細，請參考原文（侵權必刪）：

Pianta, N., Khalid, S., Pellini, I. C., Florenzano, D. A., Brugnetti, G., Ceribelli, N., … Ferrara, C. (2024). NaFeNb(PO?)? as an electrode material for sodium-ion batteries: Insights into phase evolution and capacity fading. Chemistry of Materials, *36*(12), 6010–6024.DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c01854.