原位同步辐射 XAFS 解析高压正极循环过程活性位点变化

2026-10-19

  原位同步辐射 XAFS 解析高压正极活性位点,核心是把“谁在氧化还原、局域配位怎么变、循环后是否不可逆”这三件事在工况下拆开。

  XANES:看活性位点价态和电荷补偿路径

  XANES 吸收边向高能移动,通常对应过渡金属氧化;边位置基本不变,则说明该元素在该电压窗口内未显著参与电荷补偿。

  Ni K 边:高压充电时常出现约 2 eV 的刚性高能位移,对应 Ni²⁺/Ni³⁺ → Ni⁴⁺ 氧化,是 NMC、LNO 等高压正极的主要活性位点。

  Co K 边:在部分富锂或高镍体系中变化较小,说明 Co³⁺可能未充分参与氧化还原;若循环后边位置明显向高能移动,则说明 Co 位点电荷补偿被激活。

  Mn K 边:常保持在 Mn⁴⁺附近,高压下更多表现为配位环境变化而非显著价态变化。

  O K 边 / TM L 边:用于判断阴离子氧化还原是否参与,尤其是富锂锰基、无序岩盐等高压体系。

  EXAFS:看活性位点局域配位是否畸变

  EXAFS 能给出第一壳层 TM–O 键长、配位数、Debye–Waller 因子,以及第二壳层 TM–TM 距离变化。

  高压循环中常见现象包括:

  Ni–O 键收缩:伴随 Ni 氧化,局域键长缩短;

  Mn–O 峰位移或强度降低:反映键收缩、无序度增加或 Jahn–Teller 相关畸变;

  Co–O / Co–Co 配位压缩:可能对应局域配位畸变和结构退化;

  TM–TM 峰变化:提示层状有序度下降、阳离子混排或近表面相变。

  高压正极典型活性位点演化

  高镍 NMC / LNO:Ni 是主要活性位点,高压下 Ni 氧化伴随 Ni–O 键收缩;循环后可能出现表面岩盐相重构、Ni 活性降低和动力学受阻。

  富锂锰基:Ni 参与氧化还原,Mn 价态变化较小但配位环境易畸变;高压平台常伴随氧参与、过渡金属迁移和电压滞后。

  无序岩盐 / 阴离子氧化还原体系:O 氧化还原与 Mn/Ni 迁移耦合,可能形成分子氧或局部相分离,导致电压衰减。

  实验与数据分析要点

  建议同时采集 Ni/Co/Mn K 边,必要时加 O K 边或 TM L 边,区分阳离子/阴离子电荷补偿。

  采用透射或荧光模式,高压长循环样品需注意自吸收校正。

  XANES 用吸收边位移、线性组合拟合或主成分分析定量价态比例。

  EXAFS 拟合关注 TM–O、TM–TM 配位数、键长和无序度变化。

  配合 WT-EXAFS 可更好区分不同散射原子贡献,验证掺杂元素是否进入体相。

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