Elementale-sensibile alla rilevazione della chimica in batterie attraverso la spettroscopia di assorbimento di raggi x molli e risonante Inelastic x-ray Scattering

L'obiettivo generale di questo protocollo è applicare la spettroscopia di assorbimento dei raggi X morbidi e la diffusione anelastica dei raggi X risonanti agli studi sui materiali delle batterie. Questo metodo consiste nell'utilizzare la spettroscopia a raggi X morbidi, tra cui l'assorbimento dei raggi X e la diffusione anelastica risonante dei raggi X, i cosiddetti RIXS, come strumenti unici per rispondere alle domande chiave nel campo delle batterie. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può sondare direttamente le reazioni chimiche in vari materiali per batterie e sviluppare questo campo oltre l'approccio convenzionale per tentativi ed errori.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sui materiali delle batterie, può essere applicato anche ad altri sistemi, come catalizzatori, celle solari e semiconduttori. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto la spettroscopia a raggi X morbidi basata sul sincrotrone è difficile da apprendere senza di essa. Questo protocollo fornisce un esempio visivo dettagliato di un tipico esperimento.

Per iniziare, tagliare i campioni di materiale della batteria per adattarli al supporto del campione, assicurandosi che ogni campione sia più grande del punto del raggio. Fissare i campioni sul portacampioni con nastro biadesivo conduttivo. Per alcuni campioni di polvere, utilizzare un foglio di indio per attaccare, se necessario.

Quindi, sfiatare il blocco del carico del campione con azoto gassoso. Utilizzare un sample grabber, come una pinzetta grande, per caricare il sample holder nel blocco del carico. Chiudere e valutare il blocco del carico.

Una volta che la pressione di blocco del carico è sufficientemente bassa, aprire la valvola tra il blocco del carico e la camera principale. Utilizzando il braccio di trasferimento, trasferire il portacampione al manipolatore principale nella camera principale. Chiudere la valvola al blocco del carico, quindi aprire la valvola tra la camera principale e la linea del raggio.

Localizzare il punto del fascio osservando la fluorescenza della luce visibile su un campione di riferimento o su un fosforo applicato al portacampioni. Posizionare un campione nel punto del raggio utilizzando i controlli del manipolatore del campione. Collegare i cavi di segnale del monitor del flusso del raggio di raggi X al computer di misura.

Regolare le fessure del monocromatore della linea del fascio per regolare la risoluzione energetica del fascio di raggi X incidente. Quindi, impostare l'energia del raggio incidente sul bordo di assorbimento dell'elemento o degli elementi di interesse. Fissare il meccanismo del monocromatore in posizione.

Misurare l'intensità del flusso del fascio e identificare il valore della distanza dell'ondulatore che fornisce il massimo flusso possibile del fascio. Per iniziare il processo di raccolta dei dati sXAS, assicurarsi che il segnale di corrente del campione utilizzato per misurare la resa totale degli elettroni sia diretto al computer di misurazione. Accendere gli alimentatori e i controller del moltiplicatore di elettroni o del fotodiodo utilizzati per misurare la resa totale della fluorescenza.

Assicurarsi che il segnale sia diretto al computer. Quindi, nel software di acquisizione dati, selezionare Scansione a motore singolo. Aprire il menu Scan Setup e impostare l'intervallo di scansione dei fotoni a raggi X incidenti in modo che si estenda al bordo sXAS di interesse.

Fare clic su Avvia scansione per registrare contemporaneamente la resa totale degli elettroni, la resa totale della fluorescenza e il flusso del fascio durante la scansione dell'energia dei fotoni a raggi X incidenti. Seguire la stessa procedura di allineamento del fascio e di raccolta dei dati per acquisire i dati sXAS per ulteriori campioni. Se è stato scansionato un campione di riferimento, regolare l'intervallo di scansione di conseguenza per qualsiasi spostamento osservato nei valori sXAS.

Dopo aver raccolto i dati sXAS, accendere lo spettrometro per i sistemi sXES e RIXS e raffreddare il rivelatore di raggi X molli, quindi aprire i controlli del motore. Impostare i parametri dello spettrografo in modo che coprano l'intervallo di energia degli elementi e degli spigoli di interesse. Quindi, selezionare CCD Instrument Scan e aprire la Scan Setup.

Per sXES, impostare un singolo valore a circa 20-30 elettronvolt sopra il fronte di assorbimento sXAS calibrato. Per RIXS, impostare l'intervallo di scansione in modo che si estenda al fronte di assorbimento sXAS. Selezionare Applica filtro raggi cosmici in modo che i segnali dei raggi cosmici vengano rimossi dalle immagini 2D RIXS grezze dopo la raccolta iniziale dei dati.

Avvia la scansione per raccogliere i segnali fluorescenti sotto forma di immagine 2D per ogni energia di eccitazione. Questa immagine RIXS è stata raccolta da un campione di materiale per batterie agli ioni di litio nell'intervallo di energia del bordo Oxygen-K e dei bordi Manganese, Cobalto e Nickel-L. In 10 secondi è stato raccolto un sXES a gamma completa che copriva tutti e quattro i bordi contemporaneamente.

Una mappa RIXS del bordo di nichel-L è stata generata dai dati grezzi dell'immagine RIXS. L'analisi di questa mappa ha mostrato che le caratteristiche di Nickel-L RIXS erano dominate da eccitazioni d-d. Gli stati redox dei metalli di transizione nei materiali delle batterie agli ioni di sodio e agli ioni di litio sono stati analizzati mediante adattamento quantitativo degli spettri sXAS.

La distribuzione superficiale della valenza del manganese negli elettrodi stratificati di ossido di sodio-manganese a diversi stati elettrochimici è stata determinata mediante adattamento quantitativo degli spettri sXAS a una combinazione lineare di spettri di riferimento cationici di manganese II, III e IV. Il processo redox di un elettrodo di ossido di litio-nichel-manganese è stato identificato come trasferimenti sequenziali di un singolo elettrone mediante un approccio di fitting quantitativo simile utilizzando la resa totale di fluorescenza. Gli stati di carica intermedi degli elettrodi di litio-ferro-fosfato sono stati identificati mediante adattamento quantitativo basato sugli spettri sXAS degli elettrodi a 0% e 100% di carica.

Ci siamo impegnati a utilizzare la spettroscopia a raggi X morbidi basata sul sincrotrone per caratterizzare i materiali delle batterie con risultati senza precedenti. Dopo il suo sviluppo, la tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dei materiali per batterie. I ricercatori possono usarlo per esplorare la meccanula fondamentale del materiale della batteria.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire la spettroscopia a raggi X morbidi in una sorgente di luce di sincrotrone.