XRD原位锂电池技术通过实时采集X射线衍射图谱，精准捕捉电极材料在充放电过程中的物相转变、晶胞参数变化及体积演变，揭示其动态结构机制，为优化电池性能提供关键实验依据。以下从技术原理、核心优势、应用场景及典型案例四个维度展开分析：

一、技术原理：实时追踪晶体结构动态

XRD原位技术通过在电池充放电过程中连续采集X射线衍射图谱，形成时间序列数据集。每个图谱包含衍射峰位、峰强、半高宽等信息，对应特定晶体结构的特征参数（如晶胞参数、晶面间距、晶粒尺寸等）。通过对比不同充放电阶段的图谱，可定量分析：

物相组成：识别新相生成或旧相消失（如正极材料从层状结构向尖晶石结构转变）；

晶胞参数：计算晶格常数变化，反映离子嵌入/脱出引起的结构膨胀/收缩；

晶面间距：监测特定晶面间距的动态调整，揭示离子传输路径；

体积变化：结合晶胞参数计算材料体积变化率，评估结构稳定性。

二、核心优势：突破传统技术的三大局限

1.实时性与连续性

传统非原位XRD需拆解电池、清洗电极、转移样品，易破坏材料原始状态或引入杂质。原位技术直接在电池工作状态下测试，消除样品处理误差，提供连续的结构演变信息。例如，在钠离子电池研究中，原位XRD可绘制出正极材料相组成、晶胞参数的连续变化曲线，揭示钠离子脱嵌行为对结构的影响。

2.高可比性数据

原位测试针对同一材料的相同位置进行连续扫描，消除样品差异和人为干扰。所得数据（如峰位、峰强、晶胞参数）具有极高内在可比性，可构建完整的结构演化图。例如，在锂离子电池负极研究中，原位XRD可实时监测石墨负极在锂化过程中的层间距变化，准确计算锂嵌入量。

3.多维度关联分析

结合电化学曲线（如电压-容量曲线），原位XRD可同步获取结构变化与电化学性能的关联信息。例如，在高镍三元正极材料中，原位XRD观察到晶格参数变化与电池容量衰减的对应关系，揭示结构失稳是性能衰减的主因。

三、应用场景：覆盖全电池体系的关键研究

1.正极材料：解析氧化还原机制与相变行为

富锂层状氧化物：原位XRD可观察O²⁻/O⁻氧化还原过程的可逆性，揭示高容量来源；

高镍三元材料：监测充电过程中层状结构向尖晶石结构的相变，优化循环稳定性；

钠离子电池正极：研究P2相材料在充放电过程中的钠离子迁移路径，指导结构改性。

2.负极材料：追踪锂化/脱锂动力学

石墨负极：实时监测锂嵌入导致的层间距变化，计算锂扩散系数；

硅基负极：捕捉硅与锂合金化反应的动态过程，分析体积膨胀机制；

锡/铋基负极：观察合金化反应和转化反应的相变序列，优化材料设计。

3.固态电池：评估电解质与界面稳定性

硫化物固体电解质：原位XRD可监测其与锂金属的界面反应，揭示界面阻抗增长机制；

全固态锂电池：研究固态电解质合成过程中的结构演变，优化制备工艺。

4.衰减机理研究：定位性能衰退根源

高镍三元正极：原位XRD发现晶格参数变化与容量衰减的关联，指出结构失稳是主因；

锂硫电池：检测多硫化物的生成与转化过程，揭示穿梭效应对结构的影响。

四、典型案例：原位XRD驱动电池材料优化

案例1：钠离子电池正极材料P2-Na₀.₆₇Fe₀.₅Mn₀.₅O₂

原位XRD揭示充电至4V时材料保持P2相结构，超过4V后向OP4相演变。通过电压调控避免不可逆相变，显著提升循环稳定性。

案例2：锂离子电池负极材料石墨

原位XRD实时监测锂化过程中（002）晶面间距从0.335nm扩展至0.370nm，准确计算锂嵌入量，为优化嵌锂动力学提供依据。

案例3：全固态锂电池硫化物电解质

原位XRD发现电解质与锂金属接触后生成Li₂S等副产物，导致界面阻抗激增。通过表面涂层改性抑制副反应，界面稳定性提升3倍。