Detección sensible al elemental de la química en las baterías a través de espectroscopia de absorción de rayos x blandos y dispersión inelástica resonante de la radiografía

El objetivo general de este protocolo es aplicar la espectroscopia de absorción de rayos X blandos y la dispersión de rayos X inelástica resonante a los estudios de materiales de baterías. Este método consiste en utilizar la espectroscopia de rayos X suaves, incluida la absorción de rayos X y la dispersión de rayos X inelástica resonante, la llamada RIXS, como herramientas únicas para responder a las preguntas clave en el campo de las baterías. La principal ventaja de esta técnica es que puede sondear directamente las reacciones químicas en varios materiales de batería y desarrollar este campo más allá del enfoque convencional de prueba y error.

Aunque este método puede proporcionar información sobre los materiales de las baterías, también se puede aplicar a otros sistemas, como catalizadores, células solares y semiconductores. La demostración visual de este método es fundamental, ya que la espectroscopia de rayos X blandos basada en sincrotrón es difícil de aprender sin ella. Este protocolo proporciona un ejemplo visual detallado de un experimento típico.

Para comenzar, corte las muestras de material de la batería para que quepan en el portamuestras, asegurándose de que cada muestra sea más grande que el punto del haz. Fije las muestras en el portamuestras con cinta conductora de doble cara. Para algunas muestras de polvo, use papel de aluminio de indio para pegar si es necesario.

A continuación, ventile la cerradura de carga de muestra con gas nitrógeno. Utilice un agarrador de muestras, como pinzas grandes, para cargar el soporte de muestras en el bloqueo de carga. Cierre y evalúe el bloqueo de carga.

Una vez que la presión de bloqueo de carga sea lo suficientemente baja, abra la válvula entre el bloqueo de carga y la cámara principal. Usando el brazo de transferencia, transfiera el portamuestras al manipulador principal en la cámara principal. Cierre la válvula a la cerradura de carga, luego abra la válvula entre la cámara principal y la línea de haz.

Localice el punto del haz observando la fluorescencia de la luz visible en una muestra de referencia o en un fósforo aplicado al portamuestras. Coloque una muestra en el punto del haz utilizando los controles del manipulador de muestras. Conecte los cables de señal del monitor de flujo de haz de rayos X a la computadora de medición.

Ajuste las ranuras del monocromador de la línea del haz para ajustar la resolución de energía del haz de rayos X incidente. A continuación, establezca la energía del haz incidente en el borde de absorción del elemento o elementos de interés. Fije el mecanismo del monocromador en su lugar.

Mida la intensidad del flujo del haz e identifique el valor del espacio del ondulador que proporciona el flujo de haz máximo posible. Para comenzar el proceso de recopilación de datos sXAS, asegúrese de que la señal de corriente de muestra utilizada para medir el rendimiento total de electrones se dirija a la computadora de medición. Encienda las fuentes de alimentación y los controladores del multiplicador de electrones o fotodiodo utilizado para medir el rendimiento total de fluorescencia.

Asegúrese de que la señal se dirija a la computadora. A continuación, en el software de adquisición de datos, seleccione Escaneo de un solo motor. Abra el menú Configuración de escaneo y configure el rango de escaneo de fotones de rayos X incidente para que abarque el borde de interés de sXAS.

Haga clic en Iniciar escaneo para registrar simultáneamente el rendimiento total de electrones, el rendimiento total de fluorescencia y el flujo del haz mientras escanea la energía del fotón de rayos X incidente. Siga el mismo procedimiento de alineación de haz y recopilación de datos para adquirir datos sXAS para muestras adicionales. Si se ha escaneado una muestra de referencia, ajuste el rango de escaneo en consecuencia para cualquier cambio observado en los valores sXAS.

Después de recopilar datos sXAS, encienda el espectrómetro para el sistema sXES y RIXS y enfríe el detector de rayos X suaves, luego abra los controles del motor. Establezca los parámetros del espectrógrafo para cubrir el rango de energía de los elementos y los bordes de interés. A continuación, seleccione Escaneo de instrumento CCD y abra la Configuración de escaneo.

Para sXES, establezca un valor único de aproximadamente 20 a 30 electronvoltios por encima del borde de absorción sXAS calibrado. Para RIXS, establezca el rango de escaneo para que abarque el borde de absorción de sXAS. Seleccione Aplicar filtro de rayos cósmicos para que las señales de rayos cósmicos se eliminen de las imágenes RIXS 2D sin procesar después de la recopilación de datos inicial.

Inicie el escaneo para recoger señales fluorescentes en forma de imagen 2D para cada energía de excitación. Esta imagen RIXS se recopiló a partir de una muestra de material de batería de iones de litio en el rango de energía del borde de oxígeno-K y los bordes de manganeso, cobalto y níquel-L. En 10 segundos se recogió un sXES de rango completo que cubría los cuatro bordes simultáneamente.

Se generó un mapa RIXS del borde de níquel-L a partir de los datos brutos de la imagen RIXS. El análisis de este mapa mostró que las características de Nickel-L RIXS estaban dominadas por excitaciones d-d. Los estados redox de los metales de transición en materiales de baterías de iones de sodio y iones de litio se analizaron mediante el ajuste cuantitativo de los espectros sXAS.

La distribución superficial de la valencia del manganeso en electrodos de óxido de sodio-manganeso en capas a diferentes estados electroquímicos se determinó mediante el ajuste cuantitativo de los espectros sXAS a una combinación lineal de espectros de referencia de cationes de manganeso II, III y IV. El proceso redox de un electrodo de óxido de litio-níquel-manganeso de espinela se identificó como transferencias secuenciales de un solo electrón mediante un enfoque de ajuste cuantitativo similar utilizando el rendimiento de fluorescencia total. Los estados de carga intermedios de los electrodos de litio-hierro-fosfato se identificaron mediante ajuste cuantitativo basado en los espectros sXAS de los electrodos al 0% y al 100% de carga.

Hemos estado haciendo esfuerzos para utilizar la espectroscopia de rayos X blandos basada en sincrotrón para caracterizar los materiales de las baterías con resultados sin precedentes. Después de su desarrollo, la técnica allanó el camino para los investigadores en el campo de los materiales de baterías. Los investigadores pueden usarlo para explorar la mecánica fundamental del material de la batería.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar espectroscopia de rayos X suaves en una fuente de luz de sincrotrón.