Détection sensible élémentaire de la chimie dans les Batteries par spectroscopie d’Absorption des rayons x mous et la diffusion des rayons x inélastique résonante

L’objectif global de ce protocole est d’appliquer la spectroscopie d’absorption des rayons X mous et la diffusion inélastique des rayons X résonnants aux études de matériaux de batterie. Cette méthode consiste à utiliser la spectroscopie des rayons X mous, y compris l’absorption des rayons X et la diffusion inélastique des rayons X résonnante, appelée RIXS, comme outils uniques pour répondre aux questions clés dans le domaine des batteries. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de sonder directement les réactions chimiques dans divers matériaux de batterie et de développer ce domaine au-delà de l’approche conventionnelle par essais et erreurs.

Bien que cette méthode puisse donner un aperçu des matériaux des batteries, elle peut également être appliquée à d’autres systèmes, tels que les catalyseurs, les cellules solaires et les semi-conducteurs. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car la spectroscopie à rayons X mous basée sur le synchrotron est difficile à apprendre sans elle. Ce protocole fournit un exemple visuel détaillé d’une expérience typique.

Pour commencer, coupez les échantillons de matériau de la batterie pour les adapter au porte-échantillon, en vous assurant que chaque échantillon est plus grand que le point de faisceau. Fixez les échantillons sur le porte-échantillon à l’aide d’un ruban conducteur double face. Pour certains échantillons de poudre, utilisez une feuille d’indium pour coller si nécessaire.

Ensuite, purgez le sas de charge d’échantillon avec de l’azote gazeux. À l’aide d’une pince à échantillons, telle qu’une grande pince à épiler, vous pouvez charger le porte-échantillon dans le verrou de chargement. Fermez et évaluez le verrou de charge.

Une fois que la pression du sas de charge est suffisamment basse, ouvrez la vanne entre le sas de charge et la chambre principale. À l’aide du bras de transfert, transférez le porte-échantillon dans le manipulateur principal de la chambre principale. Fermez la vanne jusqu’au verrou de charge, puis ouvrez la vanne entre la chambre principale et la ligne de faisceau.

Localisez le point de faisceau en observant la fluorescence de la lumière visible sur un échantillon de référence ou sur un phosphore appliqué sur le porte-échantillon. Positionnez un échantillon dans le spot de faisceau à l’aide des commandes du manipulateur d’échantillons. Connectez les câbles de signal du moniteur de flux de rayons X à l’ordinateur de mesure.

Ajustez les fentes du monochromateur de la ligne de faisceau pour régler la résolution en énergie du faisceau de rayons X incident. Ensuite, réglez l’énergie du faisceau incident sur le bord d’absorption de l’élément ou des éléments d’intérêt. Fixez le mécanisme du monochromateur en place.

Mesurez l’intensité du flux du faisceau et identifiez la valeur de l’écart de l’ondulateur qui fournit le flux de faisceau maximal possible. Pour commencer le processus de collecte de données sXAS, assurez-vous que le signal de courant de l’échantillon utilisé pour mesurer le rendement électronique total est dirigé vers l’ordinateur de mesure. Allumez les alimentations et les contrôleurs du multiplicateur d’électrons ou de la photodiode utilisée pour mesurer le rendement total de fluorescence.

Assurez-vous que le signal est dirigé vers l’ordinateur. Ensuite, dans le logiciel d’acquisition de données, sélectionnez Single Motor Scan. Ouvrez le menu Configuration du balayage et définissez la plage de balayage des photons X incidents pour couvrir le bord sXAS d’intérêt.

Cliquez sur Démarrer le balayage pour enregistrer simultanément le rendement total en électrons, le rendement total en fluorescence et le flux du faisceau tout en balayant l’énergie des photons de rayons X incidents. Suivez la même procédure d’alignement de faisceau et de collecte de données pour acquérir des données sXAS pour des échantillons supplémentaires. Si un échantillon de référence a été scanné, ajustez la plage de balayage en conséquence pour tout décalage observé dans les valeurs sXAS.

Après avoir collecté les données sXAS, allumez le spectromètre pour les systèmes sXES et RIXS et refroidissez le détecteur de rayons X mous, puis ouvrez les commandes du moteur. Réglez les paramètres du spectrographe pour couvrir la gamme d’énergie des éléments et des bords d’intérêt. Ensuite, sélectionnez CCD Instrument Scan et ouvrez la configuration de balayage.

Pour sXES, définissez une valeur unique d’environ 20 à 30 électronvolts au-dessus du bord d’absorption sXAS étalonné. Pour RIXS, définissez la plage de balayage pour couvrir le bord d’absorption sXAS. Sélectionnez Appliquer le filtre de rayons cosmiques pour que les signaux de rayons cosmiques soient supprimés des images 2D RIXS brutes après la collecte initiale des données.

Démarrez le balayage pour collecter les signaux fluorescents sous forme d’image 2D pour chaque énergie d’excitation. Cette image RIXS a été recueillie à partir d’un échantillon de matériau de batterie lithium-ion sur la gamme d’énergie du bord Oxygen-K et des bords manganèse, cobalt et nickel-L. Une gamme complète de sXES couvrant les quatre bords simultanément a été collectée en 10 secondes.

Une carte RIXS de la bordure Nickel-L a été générée à partir des données d’image brutes de RIXS. L’analyse de cette carte a montré que les caractéristiques Nickel-L RIXS étaient dominées par les excitations d-d. Les états redox des métaux de transition dans les matériaux des batteries sodium-ion et lithium-ion ont été analysés par ajustement quantitatif des spectres sXAS.

La distribution de valence du manganèse en surface dans des électrodes d’oxyde de sodium-manganèse en couches à différents états électrochimiques a été déterminée par ajustement quantitatif des spectres sXAS à une combinaison linéaire de spectres de référence cationiques manganèse II, III et IV. Le processus redox d’une électrode d’oxyde de lithium-nickel-manganèse a été identifié comme des transferts séquentiels d’électrons uniques par une approche d’ajustement quantitatif similaire utilisant le rendement total de fluorescence. Les états de charge intermédiaires des électrodes lithium-fer-phosphate ont été identifiés par ajustement quantitatif basé sur les spectres sXAS des électrodes à 0 % et 100 % de charge.

Nous nous sommes efforcés d’utiliser la spectroscopie à rayons X mous basée sur le synchrotron pour caractériser les matériaux des batteries avec des résultats sans précédent. Après son développement, la technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des matériaux de batterie. Les chercheurs peuvent l’utiliser pour explorer la mécanonule fondamentale du matériau de la batterie.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer une spectroscopie à rayons X mous sur une source de lumière synchrotron.