軟 x 線吸収分光と共鳴非弾性 x 線散乱による電池の化学元素高感度検出

このプロトコルの全体的な目標は、軟X線吸収分光法と共鳴非弾性X線散乱を電池材料の研究に適用することです。この手法は、X線吸収や共鳴非弾性X線散乱などの軟X線分光法、いわゆるRIXSを、電池分野の重要な疑問に答えるユニークなツールとして活用するものです。この技術の主な利点は、さまざまな電池材料の化学反応を直接調査し、従来の試行錯誤のアプローチを超えてこの分野を開発できることです。

この方法は、電池材料に関する洞察を得ることができますが、触媒、太陽電池、半導体などの他のシステムにも適用できます。シンクロトロンベースの軟X線分光法は、この方法なしでは習得が難しいため、この手法の視覚的なデモンストレーションは非常に重要です。このプロトコルは、典型的な実験の詳細な視覚的例を提供します。

まず、バッテリー材料サンプルをサンプルホルダーに合うようにカットし、各サンプルがビームスポットよりも大きくなるようにします。サンプルホルダーにサンプルを両面導電性テープで固定します。一部の粉末サンプルでは、必要に応じてインジウムホイルを使用して貼り付けます。

次に、サンプルロードロックを窒素ガスでベントします。大型ピンセットなどのサンプルグラバーを使用して、サンプルホルダーをロードロックにロードします。ロードロックを閉じて評価します。

ロードロック圧力が十分に低くなったら、ロードロックとメインチャンバーの間のバルブを開きます。トランスファーアームを使用して、サンプルホルダーをメインチャンバーのメインマニピュレーターに移します。バルブをロードロックまで閉じてから、メインチャンバーとビームラインの間のバルブを開きます。

参照サンプルまたはサンプルホルダーに塗布された蛍光体で可視光蛍光を観察して、ビームスポットを特定します。サンプルマニピュレータコントロールを使用して、ビームスポットにサンプルを配置します。X線ビームフラックスモニタの信号ケーブルを測定用コンピュータに接続します。

ビームラインモノクロメーターのスリットを調整して、入射X線ビームのエネルギー分解能を調整します。次に、入射ビームエネルギーを対象の要素の吸収エッジに設定します。モノクロメーター機構を所定の位置に固定します。

ビーム磁束強度を測定し、可能な限り最大のビーム光束を提供するアンジュレータギャップ値を特定します。sXASデータ収集プロセスを開始するには、全電子収率の測定に使用されたサンプル電流信号が測定コンピューターに向けられていることを確認してください。全蛍光収率の測定に使用される電子増倍管またはフォトダイオードの電源とコントローラーの電源を入れます。

信号がコンピュータに向けられていることを確認します。次に、データ・アクイジション・ソフトウェアで「シングル・モーター・スキャン」を選択します。「スキャン・セットアップ」メニューを開き、入射X線フォトン・スキャン範囲を対象のsXASエッジ全体に設定してください。

「スキャン開始」をクリックすると、入射X線光子エネルギーのスキャン中に、全電子収率、全蛍光収率、およびビーム束が同時に記録されます。同じビームアライメントとデータ収集手順に従って、追加のサンプルのsXASデータを取得します。参照サンプルがスキャンされている場合は、sXAS値で観察されたシフトに応じてスキャン範囲を調整します。

sXASデータを収集した後、sXESおよびRIXSシステムの分光器の電源を入れ、軟X線検出器を冷却してから、モーター制御を開きます。スペクトログラフのパラメーターを設定して、対象の要素とエッジのエネルギー範囲をカバーします。次に、「CCD Instrument Scan」を選択し、「Scan Setup」を開きます。

sXES の場合、キャリブレーションされた sXAS 吸収エッジの約 20 から 30 電子ボルト上に 1 つの値を設定します。RIXS の場合、スキャン範囲を sXAS 吸収エッジにまたがるように設定します。[Apply Cosmic Ray Filter] を選択すると、最初のデータ収集後に生の RIXS 2D 画像から宇宙線信号が削除されます。

スキャンを開始して、各励起エネルギーの蛍光信号を2D画像形式で収集します。このRIXS画像は、Oxygen-Kエッジとマンガン、コバルト、およびニッケルLエッジのエネルギー範囲にわたるリチウムイオン電池材料サンプルから収集されました。4つのエッジすべてを同時にカバーするフルレンジのsXESは、10秒で収集されました。

Nickel-LエッジのRIXSマップは、生のRIXS画像データから生成されました。このマップの解析により、Nickel-L RIXSの特徴はd-d励起によって支配されていることが示されました。ナトリウムイオンおよびリチウムイオン電池材料中の遷移金属酸化還元状態を、sXASスペクトルの定量的フィッティングにより解析した。

層状ナトリウム-マンガン酸化物電極における異なる電気化学状態における表面マンガン原子価分布は、sXASスペクトルをマンガンII、III、およびIVカチオン参照スペクトルの線形組み合わせに定量的に適合させることによって決定されました。スピネルリチウム-ニッケル-マンガン酸化物電極の酸化還元プロセスは、全蛍光収率を用いた同様の定量的フィッティングアプローチにより、逐次的な単一電子移動として同定されました。リン酸鉄リチウム電極の中間電荷状態は、0%および100%電荷における電極のsXASスペクトルに基づく定量的フィッティングによって同定されました。

私たちは、シンクロトロンを用いた軟X線分光法を用いて、電池材料の特性評価に取り組み、これまでにない成果を上げています。その開発後、この技術は電池材料分野の研究者に道を開きました。研究者はそれを使用して、バッテリー材料の基本的なメカニズムを探求できます。

このビデオを見れば、シンクロトロン光源での軟X線分光法の方法についてよく理解できるはずです。