Elemental-gevoelige detectie van de chemie in batterijen door zachte X-ray Absorptie spectroscopie en Resonant inelastisch X-ray Scattering

Het algemene doel van dit protocol is om zachte röntgenabsorptiespectroscopie en resonante inelastische röntgenverstrooiing toe te passen op batterijmateriaalstudies. Deze methode gaat over het gebruik van zachte röntgenspectroscopie, inclusief röntgenabsorptie en resonante inelastische röntgenverstrooiing, de zogenaamde RIXS, als unieke hulpmiddelen om de belangrijkste vragen op het gebied van batterijen te beantwoorden. Het grote voordeel van deze techniek is dat het direct de chemische reacties in verschillende batterijmaterialen kan onderzoeken en dit veld verder kan ontwikkelen dan de conventionele trial-and-error-benadering.

Hoewel deze methode inzicht kan geven in batterijmaterialen, kan deze ook worden toegepast op andere systemen, zoals katalysatoren, zonnecellen en halfgeleiders. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal, omdat synchrotron-gebaseerde zachte röntgenspectroscopie moeilijk te leren is zonder visuele demonstratie. Dit protocol biedt een gedetailleerd visueel voorbeeld van een typisch experiment.

Om te beginnen, snijdt u de batterijmateriaalmonsters zodat ze in de monsterhouder passen en zorg ervoor dat elk monster groter is dan de straal van de straal. Bevestig de monsters op de houder met dubbelzijdig geleidend plakband. Gebruik voor sommige poedermonsters indien nodig indiumfolie om ze vast te plakken.

Vervolgens, ventileer de monsterladingsvergrendeling met stikstofgas. Gebruik een monstersnijder, zoals een grote pincet, om de monstersnijder in de laadvergrendeling te laden. Sluit en evalueer de laadvergrendeling.

Zodra de druk in de laadvergrendeling voldoende laag is, opent u de klep tussen de laadvergrendeling en de hoofdkamer. Gebruik de overdrachtsarm om de monstersnijder over te brengen naar de hoofdmanipulator in de hoofdkamer. Sluit de klep naar de laadvergrendeling en open vervolgens de klep tussen de hoofdkamer en de straallijn.

Lokaliseer de straalvlek door zichtbare lichtfluorescentie op een referentiemonster of op een fosfor toe te passen op de monstersnijder. Positioneer een monster in de straalvlek met behulp van de bedieningselementen van de monstersnijder. Verbind de signaalkabel van de röntgenstraalfluxmonitor met de meetcomputer.

Stel de monochroomspleten van de straallijn in om de energieresolutie van de invallende röntgenstraal te tunen. Stel vervolgens de energie van de invallende straal in op de absorptiegrens van het element of de elementen van belang. Bevestig de monochroommechanisme op zijn plaats.

Meet de straalfluxintensiteit en identificeer de waarde van de ontvangeropening die de maximaal mogelijke straalflux biedt. Om het proces van het verzamelen van sXAS-gegevens te starten, zorg ervoor dat het monsterstroomsignaal dat wordt gebruikt om de totale elektronenopbrengst te meten, wordt doorgestuurd naar de meetcomputer. Schakel de voedingen en controllers in van de elektronenvermenigvuldiger of fotodiode die worden gebruikt om de totale fluorescentieopbrengst te meten.

Zorg ervoor dat het signaal naar de computer wordt geleid. Selecteer vervolgens in de data-acquisitiesoftware Single Motor Scan. Open het menu Scan Setup en stel het bereik van de invallende röntgenfotonscan in om de sXAS-grens van belang te omvatten.

Klik op Start Scan om gelijktijdig de totale elektronenopbrengst, de totale fluorescentieopbrengst en de straalflux te registreren tijdens het scannen van de energie van de invallende röntgenfoton. Volg dezelfde straaluitlijning en dataverzamelprocedure om sXAS-gegevens voor aanvullende monsters te verzamelen. Als een referentiemonster is gescand, past u het scanbereik aan voor eventuele verschuivingen die in de sXAS-waarden zijn waargenomen.

Na het verzamelen van sXAS-gegevens, zet u de spectrometer aan voor het sXES- en RIXS-systeem en koelt u de zachte röntgendetector af, open vervolgens de motorbediening. Stel de spectrograafparameters in om het energiebereik van de elementen en grenzen van belang te dekken. Selecteer vervolgens CCD Instrument Scan en open de Scan Setup.

Voor sXES, stel een enkele waarde in van ongeveer 20 tot 30 elektronvolt boven de gekalibreerde sXAS-absorptiegrens. Voor RIXS, stel het scanbereik in om de sXAS-absorptiegrens te omvatten. Selecteer Apply Cosmic Ray Filter zodat kosmische stralingssignalen worden verwijderd uit de ruwe RIXS 2D-beelden na de initiële dataverzameling.

Start de scan om fluorescente signalen in 2D-beeldvorm voor elke excitatie-energie te verzamelen. Deze RIXS-afbeelding werd verzameld van een lithium-ionbatterijmateriaalmonster over het energiebereik van de Oxygen-K-grens en de Manganese, Cobalt en Nickel-L-grenzen. Een volledige sXES die alle vier de grenzen tegelijkertijd dekt, werd in 10 seconden verzameld.

Een RIXS-kaart van de Nickel-L-grens werd gegenereerd uit de ruwe RIXS-beeldgegevens. Analyse van deze kaart toonde aan dat de Nickel-L RIXS-kenmerken werden gedomineerd door d-d-excitatielijst. Transitiemetaalredoxtoestanden in natrium-ion en lithium-ionbatterijmaterialen werden geanalyseerd door kwantitatieve fitting van sXAS-spectra. De redox-proces van een spinel lithium-nikkel-mangaanoxide-elektrode werd geïdentificeerd als opeenvolgende enkel-elektronentransfers door een vergelijkbare kwantitatieve fittingbenadering met behulp van totale fluorescentieopbrengst. Tussenliggende ladingstoestanden van lithium-ijzer-fosfaatelektroden werden geïdentificeerd door kwantitatieve fitting op basis van sXAS-spectra van de elektroden bij 0% en 100%lading.

We hebben inspanningen gedaan om synchrotron-gebaseerde zachte röntgenspectroscopie te gebruiken om batterijmaterialen te karakteriseren met ongekende resultaten. Na de ontwikkeling ervan, heeft de techniek de weg geëffend voor onderzoekers op het gebied van batterijmaterialen. De onderzoekers kunnen het gebruiken om de fundamentele mechanica van het batterijmateriaal te verkennen.

Na het bekijken van deze video, zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u zachte röntgenspectroscopie uitvoert bij een synchrotronlichtbron.