XRD方法在化學電池物相分析中的應用

王惠娟

（河北工業職業技術學院環境與化學工程系，河北 石家莊 050091）

XRD方法在化學電池物相分析中的應用

王惠娟

（河北工業職業技術學院環境與化學工程系，河北 石家莊 050091）

化學電池在生產和生活中占據著重要的地位，而化學電池組成材料的基本結構將直接影響化學電池的性能。X射線衍射(XRD)是對材料結構進行表征和分析的基本方法。將XRD方法應用至化學電池的分析中，有助于鑒別化學電池的基本結構、結晶程度、分散程度及負載晶粒的大小，對透徹地了解化學電池的基本性能具有重要的作用。介紹了XRD在化學電池物相分析中的基本原理及相關的應用。

化學電池；表征；XRD；物相分析

化學電池是將化學能直接轉變為電能的裝置，主要部分是電解質溶液、浸在溶液中的正、負電極和連接電極的導線。由于電子技術、通訊事業、信息產業的飛速發展及對環境保護的需要，化學電池也向高容量、高性能、低消耗、無污染、體積小和質量輕等方向發展。這對化學電池的基本構成提出了更高的要求，急需先進的檢測技術應用到化學電池的成分檢測實驗中。

1 化學電池成分檢測方法分析

化學電池的成分檢測方法有多種，大體可以分為兩大類，一類為化學試劑滴定檢測法，另一類為結構表征法。

化學試劑滴定檢測法主要利用化學制劑與被測化合物的反應過程及最終成分測試結果來確定化合物的成分構成。例如我們經常利用不同純度的亞鉻酸鹽來測試高鐵酸鹽，并通過實驗結果來確定高鐵酸鹽的有效成分含量。化學試劑滴定法需要嚴格控制試劑的滴定成分，同時測定結果還受到體積讀數誤差、終點顏色判斷誤差、錐形瓶搖動不均勻等因素的影響，因此對實驗過程要求很高。

除了化學試劑滴定法之外，利用物理方法對化學電源的結構進行表征，也是一種有效的檢測方法，有助于通過分析相應的圖譜來分析材料的成分。物理表征的方法很多，例如X射線衍射(XRD)表征法和傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)表征法等。本文主要介紹XRD檢測方法在化學電池物相測定中的應用。

2 XRD分析基本原理

XRD即X射線衍射，是1895年由德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發現的。1912年德國物理學家勞埃發現X射線在晶體中可以產生衍射現象，為X射線衍射學奠定了基礎。

X射線的衍射是由大量原子參與的一種散射現象。當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，被它們散射的X射線之間必然存在位相關系，因而大部分方向上產生相消干涉，而在某些特殊方向上產生相長干涉而形成強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關，這就是X射線衍射的基本原理。

如圖1所示，一張X射線衍射圖譜中包括三方面的信息。一是衍射峰的位置，這方面的信息主要用于物相的鑒定、晶胞參數的精修、殘余應用的測量；二是衍射峰的峰高或面積，主要用于物相的含量、結晶度以及織構的計算；三是衍射峰的形狀，其衍射峰的寬度用來確定微晶尺寸的大小和微觀應變的計算，峰的形狀主要是指峰形是否對稱，用來計算位錯、層錯等。

3 XRD物相分析應用

XRD分析主要應用于物相分析、晶胞常數的測定、微晶尺寸的測定等方面，而在物相分析中的應用尤為重要。

物質的每種晶體結構都有自己獨特的X射線衍射圖，而且不會因為與其他物質混合在一起而發生變化，這就是X射線衍射法進行物相分析的依據[1]。XRD的物相分析分為定性分析和定量分析。

圖1 X射線衍射圖譜

定性分析是把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相。物相定性分析是用（衍射線相對強度）的數據代表衍射花樣。用（晶面間距表征衍射線位置）和作為定性相分析的基本判據，將試樣測得的數據組（PDF卡片）進行對比，以鑒定出試樣中存在的物相。如果樣品為幾種物相的混合物，則衍射圖形為這幾種晶體的衍射線的加和，一般各物相衍射線的強度與其含量成正比。

在實際化學電池的性能研究中，XRD的物相定性表征是非常重要的一種檢測手段[2]。如圖2所示，在測定催化劑Na2MoO4在改進高鐵酸鋇電池穩定性的實驗中，采用日本Rigaku公司生產的D/MAX-2200型X射線衍射儀，使用Cu靶Kα線，以2θ角進行分析，從而得到加入Na2MoO4的改性高鐵酸鹽的X射線衍射圖譜，然后與未經處理的高鐵酸鹽X射線衍射圖譜進行比較，從而得到相應的結果。

圖2中存在三條衍射線，中間的一條是高鐵酸鋇貯存1天后的X射線衍射圖譜，上面的一條是在同一個室溫密閉干燥環境下貯存186天的高鐵酸鋇圖譜，兩個圖譜對比分析可以看出，由于高鐵酸鋇的不穩定性，導致186天的圖譜各特征峰值明顯減少。最下面一條衍射線是加入了Na2MoO4的貯存186天的高鐵酸鋇X射線衍射圖譜，與貯存1天的圖譜相比較，可以清晰地看到高鐵酸鋇的各特征峰都存在。重要原因是因為Na2MoO4的引入提高了高鐵酸鋇的穩定性，進而減緩了其自身分解的速度，增強了高鐵酸鋇固體材料的穩定性。

由于固熔現象、類質同構、化學成分偏離等情況的存在，

圖2 不同貯存時間的改進高鐵酸鋇XRD圖譜

數據組與已知結構物質的標準定性分析可能有較大的誤差，同時也不能確定物相的含量。因此，在特定的條件下，物相定量分析被更多地應用到化學電池的成分檢測當中。

定量相分析是在定性相分析的基礎上根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。定量相分析的理論基礎是：物質的衍射強度與該物質參加衍射的體積成正比。

在定量相分析中，對于單相體系物質的強度公式為：

而對于多相物質，由于參加衍射物質中的各個相對X射線的吸收各不相同，因此吸收的影響使某一組分相的衍射線強度與該相參加衍射的體積的變化并不呈現線性關系。所以，在多相物質定量相分析方法中，要想從衍射強度中求得各相的含量，必須處理吸收的影響。

對于有幾個相的多相體系：

為了更精確地解決定量相分析中吸收影響的問題，產生了制作標準物質的標準線條的實驗方法，主要的方法有內標法、外標法、值法等。

4 結語

X射線衍射作為一種研究物質結構的技術，由于其樣品易得以及樣品與實驗體系相接近等原因，在學科研究和工程技術中得到了廣泛的應用。

化學成分對電池的性能具有重要的作用，通過XRD的物相鑒定和物相分析，能夠更好地理解化學成分的相結構特點和相關性能。因此，XRD法在化學電池性能研究方面具有很大的優勢。

[1]王犇.XRD分析——在固體催化劑體相結構研究中的應用[J].大眾科技，2008(12)：109-110.

[2]劉敬發.高鐵酸鋇穩定性的調制及其電池性能研究[D].黑龍江：大慶石油學院，2007：31-32.

Application of XRDmethods in phase analysisof chem icalbattery

WANGHui-juan

The chem ical battery occupies the im portant status in production and life.The basic structure of the chem icalbatterymaterials could directly affect the performance of the chem icalbattery.X-ray diffraction(XRD)is the basic methods of characterization and analysis of the structure of material.The app lication of XRD method to analysis of the chem icalbattery could help to identify the basic structure,crystallization degree and dispersion degree of the chem ical battery and size of the load grain,playing an important role for the thorough understanding of the basic properties of the chem ical battery.The basic princip les and related app lications of XRD method in phase analysis of the chem icalbattery was presented.

chem icalbattery;characterization;XRD;phase analysis

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0895-02

2013-12-08

王惠娟（1980—），女，河北省人，碩士，講師，主要研究方向為物理化學。