【摘要】 深入解析原位XRD和普通XRD的核心区别：为何原位XRD能实时捕捉电池充放电、催化反应中的材料结构演变与相变？了解其技术分类（实验室/同步辐射）、优势及在储能材料研究中的关键应用。

X射线衍射（XRD）是材料科学中不可或缺的表征手段。它通过分析X射线在样品中产生的衍射峰位置和强度，实现对材料结晶类型、晶体参数、缺陷以及不同物相含量的定性与定量分析。然而，在储能（如电池）、催化等动态研究领域，材料的晶体结构往往在反应过程中持续变化。此时，​普通XRD​（或称非原位XRD）的局限性就显现出来。

 

普通XRD的局限：静态快照的不足

普通XRD测试通常在反应停止后的特定状态下进行。它提供的是材料在某个“冻结”时刻的结构信息，就像一张静态照片。这对于研究电池充放电、催化反应等动态过程中的结构演变​（如相变）存在显著不足：

1.无法捕捉过程信息：​ 难以准确获得材料在整个反应路径中连续、实时的结构变化细节。

2.样品处理引入误差：​ 对于电池研究，拆解电池、清洗电极、转移样品等操作，极易破坏材料的原始状态或引入杂质，导致测试结果无法真实反映电池内部材料在充放电过程中的实际结构状态。不同极片间的物理差异也会影响结果的可比性。

 

原位XRD的优势：动态过程的“实时监控”

原位XRD技术正是为了解决上述问题而发展起来的。其核心优势在于能够在材料实际反应过程​（如充放电、加热、气氛变化）中，​实时、原位地采集XRD数据，从而提供连续的结构演变信息：

1.揭示动态演变：​ 直接观测材料在反应过程中的晶体结构变化、相变路径、晶胞参数​（如晶格常数）的实时波动。

2.​高可比性数据：​ 整个测试过程针对同一材料的相同位置进行连续扫描，消除了样品差异和人为处理带来的干扰，所得数据（峰位、峰强、晶胞参数等）具有极高的内在可比性。

3.​获取大量关联信息：​ 能在短时间内获得一系列与反应进程严格对应的结构信息图谱，构建完整的结构演化图。

4.深入理解机理：​ 实时监测到的结构变化信息，是深入理解材料反应机理​（如钠离子电池中钠离子的脱嵌行为如何影响正极结构）的关键，对优化材料设计和应用条件具有重要指导意义。

 

原位XRD的技术分类

根据使用的X射线光源强度，原位XRD主要分为两类：

1.实验室原位XRD：​ 在常规实验室X射线衍射仪基础上进行改造（如集成电化学池、加热台、气氛腔等），操作相对简便，成本较低，是常用的原位表征手段。

2.​同步辐射原位XRD：​ 利用同步辐射光源​（亮度极高、单色性极好）作为X射线源。其超高亮度和优异性能可显著缩短测量时间​（对快速过程尤为重要），并获取更高分辨率和更高质量的衍射数据，特别适用于研究微弱信号或快速动力学过程。

 

应用实例：电池材料研究的利器

在钠离子电池研究中，正极材料在充放电过程中会经历复杂的结构演变。利用原位XRD技术，可以在较低的电流密度（如<0.2C）下进行电化学测试，并每隔固定时间采集一张XRD图谱。将这些图谱按时间顺序排列，就能绘制出直观的原位结构演化图，清晰展示材料相组成、晶胞参数的连续变化。

图 1. P2-Na0.67Fe0.5Mn0.5O2正极材料电化学原位结构演化，及对应晶胞参数变化[1]

 

总结：超越物相分析的动态视角

原位XRD作为XRD技术的重要拓展，不仅继承了普通XRD对晶态材料进行物相分析的能力，更实现了在真实反应环境​（如高低温、充放电电流、特殊气氛）下，对材料（尤其是储能材料、催化材料及元器件）​晶体结构的实时、动态监测与分析。它已成为揭示材料反应机理、指导材料优化与性能提升的关键工具，在材料科学、能源存储与转化、催化等领域发挥着不可替代的作用。

 

参考文献：[1] Zi Wei Chen et al., “Triggering Anionic Redox Activity in Fe/Mn-Based Layered Oxide for High-Performance Sodium-Ion Batteries”, Nano Energy, 94(2022)106958.

 

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