富鎳層狀氧化物，如LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ (NMC811)，被認為是有潛力和希望的下代鋰離子電池正材料。與目前主流動力電池上使用的NMC532，NMC622型電池相比，NMC811具有更高的能量密度和相對較低的成本。然而，NMC811電池在 4.4 V截止電壓下的次循環中會有約15%的容量損失。此外，該結構由于充電后潛在的氧氣損失及循環過程中的降解會導致容量衰減和相關的安全問題。為了解決這些問題，紐約州立大學的Whittingham教授在通過連續共沉淀方法實現用鋁替代錳，使得NMC811正材料的電化學性能得到了大的提高。相關研究成果發表于The Electrochemical Society, 2021, 168, 050532.。

圖1. (a) 不同Al³⁺摻雜量下，合成樣品的XRD圖譜 (b) 不同摻雜量樣品的Ni K edge XANES譜圖（XES150測得）

如圖1所示，研究人員將用共沉淀法將微量的Al摻雜到NMC811正材料中，摻雜比例分別為2%，3%，4%和5%。圖a為摻雜前后樣品的X射線衍射圖譜。可以看出Al的摻雜量在4%以內時，樣品的XRD圖沒有明顯的變化。當摻雜量繼續提升到5%后，出現了LiAlO₂雜質峰。通過XRD精修表明，經過Al替代Mn實現摻雜后，NMC811材料的晶格參數（a, c）及晶胞體積有所下降。主要的原因是Al-O鍵長比Mn-O鍵長短。同時為了實現材料中的電荷補償，部分Ni²⁺會轉變為Ni³⁺，從而導致結構參數降低。因為Ni²⁺的半徑和Li⁺半徑非常接近，些Ni²⁺會從過渡金屬層遷移至鋰層，這對與充放電過程中Li⁺的遷移十分不。而經過Al³⁺摻雜后，占據Li⁺位置的Ni²⁺比重不斷下降。如圖1b所示，美國easyXAFS公司臺式XES150儀器成功實現了高質量XANES圖譜的采集。圖中可以看出，隨著Al³⁺摻雜量的提升，樣品中Ni的吸收邊位置不斷增大，反應了Ni氧化態的不斷提升。又因為該樣品中Ni的存在形式只有Ni²⁺和Ni³⁺，所以可以判斷Al³⁺摻雜量的提升可有效的降低Ni²⁺的比例，從而實現NMC811電化學性能的充分提升。而旦摻雜量超過4%以后，對于的Al³⁺會是的材料整體扭曲過大，不于整體穩定性。該項研究為該鋰電域中進步提升電池容量和穩定性提供了重要的借鑒和指導意義。

如圖2所示，美國easyXAFS公司已開發出新臺式型號X射線吸收譜/發射譜easyXAFS300+儀器，這將助力更多科研工作者在常規實驗室中完成X射線吸收精細結構的測量和分析，實現更高質量的科學研究。

圖2. easyXAFS公司的臺式XAFS/XES譜儀

實驗室臺式XAFS譜儀勢：

1. 臺式設計，可以在實驗室內隨時滿足日常樣品分析；

2. LabVIEW軟件腳本控制，附帶7位自動樣品輪, 可以同時進行多個樣品或樣品參數條件下的測試；

3. 可集成輔助設備，控制樣品條件，適用于對空氣敏感的樣品的檢測或些原位測試，如原位的鋰電池或電催化實驗測試，監測電/催化材料的結構變化；

4. 臺式XAFS/XES譜儀具有XAFS和XES兩種工作模式，可快速切換，滿足不同科研試驗需求;

5. 臺式XAFS/XES譜儀測得的譜圖效果可以媲美同步輻射數據，如圖3所示，其測得的Ni元素的EXAFS，Ce和U元素的L₃-edge的XANES譜圖數據與同步輻射光源譜圖效果*致；

圖3. （a, b）臺式XAFS/XES譜儀與同步輻射光源測得的Ni EXAFS及傅里葉變換后R空間對比譜圖, （c、d）Ce和U L₃-edge XANES譜圖數據對比圖

6. 多種型號和配置可選，滿足不同科研要求；

7. 操作便捷，維護成本低，安全可靠.

參考文獻：

[1] B. Pei, H. Zhou, A. Goel, M. Zuba, H. Liu, F. X. Xin, M. S. Whittingham. Al Substitution for Mn during Co-Precipitation Boosts the Electrochemical Performance of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂[J]. The Electrochemical Society, 2021, 168, 050532.

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