XRD方法在化學(xué)電池物相分析中的應(yīng)用

王惠娟

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 石家莊 050091）

XRD方法在化學(xué)電池物相分析中的應(yīng)用

王惠娟

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 石家莊 050091）

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

化學(xué)電池；表征；XRD；物相分析

化學(xué)電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，主要部分是電解質(zhì)溶液、浸在溶液中的正、負(fù)電極和連接電極的導(dǎo)線。由于電子技術(shù)、通訊事業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展及對環(huán)境保護(hù)的需要，化學(xué)電池也向高容量、高性能、低消耗、無污染、體積小和質(zhì)量輕等方向發(fā)展。這對化學(xué)電池的基本構(gòu)成提出了更高的要求，急需先進(jìn)的檢測技術(shù)應(yīng)用到化學(xué)電池的成分檢測實(shí)驗(yàn)中。

1 化學(xué)電池成分檢測方法分析

化學(xué)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(xué)試劑滴定檢測法，另一類為結(jié)構(gòu)表征法。

化學(xué)試劑滴定檢測法主要利用化學(xué)制劑與被測化合物的反應(yīng)過程及最終成分測試結(jié)果來確定化合物的成分構(gòu)成。例如我們經(jīng)常利用不同純度的亞鉻酸鹽來測試高鐵酸鹽，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定高鐵酸鹽的有效成分含量?；瘜W(xué)試劑滴定法需要嚴(yán)格控制試劑的滴定成分，同時(shí)測定結(jié)果還受到體積讀數(shù)誤差、終點(diǎn)顏色判斷誤差、錐形瓶搖動(dòng)不均勻等因素的影響，因此對實(shí)驗(yàn)過程要求很高。

除了化學(xué)試劑滴定法之外，利用物理方法對化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，也是一種有效的檢測方法，有助于通過分析相應(yīng)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(xué)電池物相測定中的應(yīng)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(xué)家倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)的。1912年德國物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，為X射線衍射學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

X射線的衍射是由大量原子參與的一種散射現(xiàn)象。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)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(guān)系，因而大部分方向上產(chǎn)生相消干涉，而在某些特殊方向上產(chǎn)生相長干涉而形成強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，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(shù)的精修、殘余應(yīng)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(jié)晶度以及織構(gòu)的計(jì)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(yīng)變的計(jì)算，峰的形狀主要是指峰形是否對稱，用來計(jì)算位錯(cuò)、層錯(cuò)等。

3 XRD物相分析應(yīng)用

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

物質(zhì)的每種晶體結(jié)構(gòu)都有自己獨(dú)特的X射線衍射圖，而且不會因?yàn)榕c其他物質(zhì)混合在一起而發(fā)生變化，這就是X射線衍射法進(jìn)行物相分析的依據(jù)[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(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)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(qiáng)度）的數(shù)據(jù)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(jù)，將試樣測得的數(shù)據(jù)組（PDF卡片）進(jìn)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(qiáng)度與其含量成正比。

在實(shí)際化學(xué)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(jìn)高鐵酸鋇電池穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)中，采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/MAX-2200型X射線衍射儀，使用Cu靶Kα線，以2θ角進(jìn)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(jīng)處理的高鐵酸鹽X射線衍射圖譜進(jìn)行比較，從而得到相應(yīng)的結(jié)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(gè)室溫密閉干燥環(huán)境下貯存186天的高鐵酸鋇圖譜，兩個(gè)圖譜對比分析可以看出，由于高鐵酸鋇的不穩(wěn)定性，導(dǎo)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?yàn)镹a2MoO4的引入提高了高鐵酸鋇的穩(wěn)定性，進(jìn)而減緩了其自身分解的速度，增強(qiáng)了高鐵酸鋇固體材料的穩(wěn)定性。

由于固熔現(xiàn)象、類質(zhì)同構(gòu)、化學(xué)成分偏離等情況的存在，

圖2 不同貯存時(shí)間的改進(jìn)高鐵酸鋇XRD圖譜

數(shù)據(jù)組與已知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)定性分析可能有較大的誤差，同時(shí)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(yīng)用到化學(xué)電池的成分檢測當(dāng)中。

定量相分析是在定性相分析的基礎(chǔ)上根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。定量相分析的理論基礎(chǔ)是：物質(zhì)的衍射強(qiáng)度與該物質(zhì)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(zhì)的強(qiáng)度公式為：

而對于多相物質(zhì)，由于參加衍射物質(zhì)中的各個(gè)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(qiáng)度與該相參加衍射的體積的變化并不呈現(xiàn)線性關(guān)系。所以，在多相物質(zhì)定量相分析方法中，要想從衍射強(qiáng)度中求得各相的含量，必須處理吸收的影響。

對于有幾個(gè)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(chǎn)生了制作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)線條的實(shí)驗(yàn)方法，主要的方法有內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、值法等。

4 結(jié)語

X射線衍射作為一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，由于其樣品易得以及樣品與實(shí)驗(yàn)體系相接近等原因，在學(xué)科研究和工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)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(xué)成分的相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)性能。因此，XRD法在化學(xué)電池性能研究方面具有很大的優(yōu)勢。

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

[2]劉敬發(fā).高鐵酸鋇穩(wěn)定性的調(diào)制及其電池性能研究[D].黑龍江：大慶石油學(xué)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?yàn)槲锢砘瘜W(xué)。