x射线是如何增强电池性能的

锂离子电池的研发继续带来显著的性能提升，尤其是在电动汽车方面。根据国际能源机构(iea)的数据，现在电动汽车每次充电的平均行驶距离为350公里，几乎是10年前的3倍。

锂离子技术的这一进步是由于分析工具的进步而实现的，这些分析工具是电池材料研究和开发的基础，虽然没有得到广泛认可，但同样重要。x射线衍射(XRD)是一项有助于加速发展的关键技术。

电池电极或电解质材料的结构可以通过对其衍射x射线束来快速评估。“不断增长的电池行业一直是XRD技术最近的重点，”日本东京Rigaku Corporation的XRD研究员Akito Sasaki说。

结果在几分钟内

XRD被证明对加速阴极制造过程中烧结步骤的优化有价值。Rigaku Americas科学技术副总裁Simon Bates解释说:“在扩大新阴极设计的制造时，从起始材料成分到反应温度和时间，有多个参数需要优化。”

“传统的电池测试方法——电化学分析——需要两到三个月或更长时间，”他说。“但XRD在几分钟内就能提供材料的完整结构指纹。”

日本Rigaku公司的应用科学家Shiramata Yuji说，x射线探测器技术的最新发展使这项技术更加强大。高性能阴极通常含有镍、锰和钴作为其成分的一部分，但这些元素在XRD分析过程中会发出不必要的x射线荧光。Rigaku最新的探测器过滤掉了这种背景。

探测器采用创新的多像素设计，每个像素单独电子寻址和自动校准，以实现高能量分辨率，从而排除荧光贡献。这使得材料中的微量结构元素能够被检测到，否则这些元素会在噪声中消失。基于像素的探测器设计也允许阴极的衍射响应在二维成像。

更长的电池续航

利用Rigaku的新计算技术，甚至可以从XRD信号中提取出更大的结构细节。传统的XRD分析建立了电池材料有序晶体组分的平均结构。Shiramata说:“我们开发了一种计算‘逆向蒙特卡罗’模型，从衍射数据中提取局部信息，以模拟材料结构中更无序的部分。”

该模型从有序的平均晶体结构开始，保留但重新定向材料的结构亚单元，以最佳地适应局部无序¹．对固体电池无序电解质材料的分析是该模型的一种应用。电池老化是另一个原因。贝茨说:“即使你的起始电极是高度有序的，一旦你循环电池，它就会因为出现缺陷而变得无序。”“通过了解电池的老化过程来提高电池寿命是这项工作的目标之一。”

要想进一步提高锂离子电池的性能，就必须对行业需求做出反应。贝茨补充说:“我们最近开发了一种可以在高温下工作的电池支架，当电池变热时，可以对电池进行x射线分析，这是业界一直要求的。”“我们的反应非常灵敏，尤其是对新电池技术等新兴行业。”