XRD方法在化学电池物相分析中的应用

王惠娟

（河北工业职业技术学院环境与化学工程系，河北 石家庄 050091）

XRD方法在化学电池物相分析中的应用

王惠娟

（河北工业职业技术学院环境与化学工程系，河北 石家庄 050091）

化学电池在生产和生活中占据着重要的地位，而化学电池组成材料的基本结构将直接影响化学电池的性能。X射线衍射(XRD)是对材料结构进行表征和分析的基本方法。将XRD方法应用至化学电池的分析中，有助于鉴别化学电池的基本结构、结晶程度、分散程度及负载晶粒的大小，对透彻地了解化学电池的基本性能具有重要的作用。介绍了XRD在化学电池物相分析中的基本原理及相关的应用。

化学电池；表征；XRD；物相分析

化学电池是将化学能直接转变为电能的装置，主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。由于电子技术、通讯事业、信息产业的飞速发展及对环境保护的需要，化学电池也向高容量、高性能、低消耗、无污染、体积小和质量轻等方向发展。这对化学电池的基本构成提出了更高的要求，急需先进的检测技术应用到化学电池的成分检测实验中。

1 化学电池成分检测方法分析

化学电池的成分检测方法有多种，大体可以分为两大类，一类为化学试剂滴定检测法，另一类为结构表征法。

化学试剂滴定检测法主要利用化学制剂与被测化合物的反应过程及最终成分测试结果来确定化合物的成分构成。例如我们经常利用不同纯度的亚铬酸盐来测试高铁酸盐，并通过实验结果来确定高铁酸盐的有效成分含量。化学试剂滴定法需要严格控制试剂的滴定成分，同时测定结果还受到体积读数误差、终点颜色判断误差、锥形瓶摇动不均匀等因素的影响，因此对实验过程要求很高。

除了化学试剂滴定法之外，利用物理方法对化学电源的结构进行表征，也是一种有效的检测方法，有助于通过分析相应的图谱来分析材料的成分。物理表征的方法很多，例如X射线衍射(XRD)表征法和傅里叶变换红外光谱法(FTIR)表征法等。本文主要介绍XRD检测方法在化学电池物相测定中的应用。

2 XRD分析基本原理

XRD即X射线衍射，是1895年由德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的。1912年德国物理学家劳埃发现X射线在晶体中可以产生衍射现象，为X射线衍射学奠定了基础。

X射线的衍射是由大量原子参与的一种散射现象。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，被它们散射的X射线之间必然存在位相关系，因而大部分方向上产生相消干涉，而在某些特殊方向上产生相长干涉而形成强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，这就是X射线衍射的基本原理。

如图1所示，一张X射线衍射图谱中包括三方面的信息。一是衍射峰的位置，这方面的信息主要用于物相的鉴定、晶胞参数的精修、残余应用的测量；二是衍射峰的峰高或面积，主要用于物相的含量、结晶度以及织构的计算；三是衍射峰的形状，其衍射峰的宽度用来确定微晶尺寸的大小和微观应变的计算，峰的形状主要是指峰形是否对称，用来计算位错、层错等。

3 XRD物相分析应用

XRD分析主要应用于物相分析、晶胞常数的测定、微晶尺寸的测定等方面，而在物相分析中的应用尤为重要。

物质的每种晶体结构都有自己独特的X射线衍射图，而且不会因为与其他物质混合在一起而发生变化，这就是X射线衍射法进行物相分析的依据[1]。XRD的物相分析分为定性分析和定量分析。

图1 X射线衍射图谱

定性分析是把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相。物相定性分析是用（衍射线相对强度）的数据代表衍射花样。用（晶面间距表征衍射线位置）和作为定性相分析的基本判据，将试样测得的数据组（PDF卡片）进行对比，以鉴定出试样中存在的物相。如果样品为几种物相的混合物，则衍射图形为这几种晶体的衍射线的加和，一般各物相衍射线的强度与其含量成正比。

在实际化学电池的性能研究中，XRD的物相定性表征是非常重要的一种检测手段[2]。如图2所示，在测定催化剂Na2MoO4在改进高铁酸钡电池稳定性的实验中，采用日本Rigaku公司生产的D/MAX-2200型X射线衍射仪，使用Cu靶Kα线，以2θ角进行分析，从而得到加入Na2MoO4的改性高铁酸盐的X射线衍射图谱，然后与未经处理的高铁酸盐X射线衍射图谱进行比较，从而得到相应的结果。

图2中存在三条衍射线，中间的一条是高铁酸钡贮存1天后的X射线衍射图谱，上面的一条是在同一个室温密闭干燥环境下贮存186天的高铁酸钡图谱，两个图谱对比分析可以看出，由于高铁酸钡的不稳定性，导致186天的图谱各特征峰值明显减少。最下面一条衍射线是加入了Na2MoO4的贮存186天的高铁酸钡X射线衍射图谱，与贮存1天的图谱相比较，可以清晰地看到高铁酸钡的各特征峰都存在。重要原因是因为Na2MoO4的引入提高了高铁酸钡的稳定性，进而减缓了其自身分解的速度，增强了高铁酸钡固体材料的稳定性。

由于固熔现象、类质同构、化学成分偏离等情况的存在，

图2 不同贮存时间的改进高铁酸钡XRD图谱

数据组与已知结构物质的标准定性分析可能有较大的误差，同时也不能确定物相的含量。因此，在特定的条件下，物相定量分析被更多地应用到化学电池的成分检测当中。

定量相分析是在定性相分析的基础上根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。定量相分析的理论基础是：物质的衍射强度与该物质参加衍射的体积成正比。

在定量相分析中，对于单相体系物质的强度公式为：

而对于多相物质，由于参加衍射物质中的各个相对X射线的吸收各不相同，因此吸收的影响使某一组分相的衍射线强度与该相参加衍射的体积的变化并不呈现线性关系。所以，在多相物质定量相分析方法中，要想从衍射强度中求得各相的含量，必须处理吸收的影响。

对于有几个相的多相体系：

为了更精确地解决定量相分析中吸收影响的问题，产生了制作标准物质的标准线条的实验方法，主要的方法有内标法、外标法、值法等。

4 结语

X射线衍射作为一种研究物质结构的技术，由于其样品易得以及样品与实验体系相接近等原因，在学科研究和工程技术中得到了广泛的应用。

化学成分对电池的性能具有重要的作用，通过XRD的物相鉴定和物相分析，能够更好地理解化学成分的相结构特点和相关性能。因此，XRD法在化学电池性能研究方面具有很大的优势。

[1]王犇.XRD分析——在固体催化剂体相结构研究中的应用[J].大众科技，2008(12)：109-110.

[2]刘敬发.高铁酸钡稳定性的调制及其电池性能研究[D].黑龙江：大庆石油学院，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，硕士，讲师，主要研究方向为物理化学。