X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）技術(shù)在鋰電行業(yè)應(yīng)用極其廣泛，尤其對(duì)于正極材料物相的研究。XRD可用于測(cè)試和分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成，是一種強(qiáng)大的非破壞性測(cè)試。

X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)

X射線衍射儀由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、樣品臺(tái)、檢測(cè)器、測(cè)量記錄系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等構(gòu)成（如下圖所示）?？傮w可分為X射線發(fā)生系統(tǒng)、測(cè)角及探測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)。

圖片來源：材料科學(xué)與工程技術(shù)公眾號(hào)

XRD測(cè)試原理

X射線是一種頻率很高的電磁波，波長約為0.001nm~10nm。其穿透力很強(qiáng)，具有一定的輻射。X射線是由高速運(yùn)動(dòng)的電子流或其它高能輻射流（γ射線、中子流等）與其它物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)速度驟減，與該物質(zhì)中的內(nèi)層原子相互作用而產(chǎn)生的。

X射線衍射儀中靶材不同（原子序數(shù)不同，外層的電子排布也不同），產(chǎn)生的特征X射線波長也不同。波長較長的靶材得到的衍射圖峰位沿2θ軸有規(guī)律地被拉伸；波長較短靶材得到的衍射圖峰位沿2θ軸有規(guī)律地被壓縮。但從衍射譜中獲得樣品面間距d值都是相同的。

因?yàn)椴煌w內(nèi)部的原子排列方式是唯一的，因此對(duì)應(yīng)的衍射花樣是唯一的，這也是可以進(jìn)行物相分析的原因。衍射花樣中衍射峰的分布規(guī)律由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射峰強(qiáng)度是由原子的種類和它們?cè)诰О械奈恢脹Q定，但樣品的質(zhì)量吸收系數(shù)與入射線的波長有關(guān)，因此同一樣品用不同耙材獲得的圖譜上的衍射峰強(qiáng)度也會(huì)不同。

要深入了解XRD的原理，還需清楚一個(gè)方程和一個(gè)公式：布拉格方程和謝樂公式（兩者的具體原理這里不再詳細(xì)解釋，可自行查找相關(guān)文獻(xiàn)）。

布拉格方程：X射線在晶體中產(chǎn)生衍射需要滿足的基本條件，其反映了衍射線方向和晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。公式：2dsinθ = nλ（θ為入射角，2θ為衍射角，d為晶面間距，n為衍射級(jí)數(shù)，λ為X射線波長）。

謝樂公式：用于描述晶粒尺寸與衍射峰半峰寬之間的關(guān)系。公式：D=Kλ / βcosθ（D為晶粒尺寸，β為實(shí)測(cè)衍射峰半峰高寬度，θ為衍射角，λ為X射線波長，K為Scherrer常數(shù)）。

X射線衍射圖譜三要素（圖片來源：張杰男，鋰電池研究中的X射線多晶衍射實(shí)驗(yàn)與分析方法綜述）

XRD測(cè)試條件

對(duì)于鋰電材料，常見的衍射條件為（可作為參考）：Cu靶，管電壓40kV，管電流30mA，衍射角度5°~80°（根據(jù)所測(cè)樣品材料而定），掃描速度1°/min（不同的掃描速度對(duì)結(jié)果有一定影響）。

圖片來源：孫剛博士論文

XRD數(shù)據(jù)分析

XRD數(shù)據(jù)分析軟件一般采用MDI Jade，該軟件的使用手冊(cè)可參考黃繼武老師編寫的《X射線衍射實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)》。

Rietveld精修

Rietveld方法的一般性描述是：假定任何晶格面的衍射遍及整個(gè)倒易空間，并在倒易空間相互交疊。每個(gè)晶格面的衍射用一些數(shù)學(xué)函數(shù)描述，如高斯函數(shù)，所有這些函數(shù)的疊加就構(gòu)成了衍射空間的圖形——衍射譜?；?/span>Rietveld精修的原理誕生了多種分析軟件，其中，GASA軟件由于操作簡便、界面友好等優(yōu)勢(shì)在粉末衍射數(shù)據(jù)精修領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

附：參考文獻(xiàn)

孫剛，鋰離子電池富鋰正極材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制及改性研究

楊幸明，兩種陶瓷材料高溫結(jié)構(gòu)的原位X射線衍射研究

張杰男，鋰電池研究中的X射線多晶衍射實(shí)驗(yàn)與分析方法綜述

黃繼武，李周，多晶材料X射線衍射 實(shí)驗(yàn)原理、方法與應(yīng)用

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