Elemental-sensíveis à deteção da química em baterias através de espectroscopia de absorção de raios-x moles e espalhamento inelástico de raios-x ressonante

O objetivo geral deste protocolo é aplicar espectroscopia de absorção de raios-X moles e espalhamento de raios-X inelástico ressonante a estudos de materiais de bateria. Este método consiste em utilizar espectroscopia de raios-X moles, incluindo absorção de raios-X e espalhamento de raios-X inelástico ressonante, o chamado RIXS, como ferramentas exclusivas para responder às principais questões no campo da bateria. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode sondar diretamente as reações químicas em vários materiais de bateria e desenvolver esse campo além da abordagem convencional de tentativa e erro.

Embora esse método possa fornecer informações sobre os materiais da bateria, ele também pode ser aplicado a outros sistemas, como catalisadores, células solares e semicondutores. A demonstração visual deste método é crítica, pois a espectroscopia de raios-X moles baseada em síncrotron é difícil de aprender sem ele. Este protocolo fornece um exemplo visual detalhado de um experimento típico.

Para começar, corte as amostras de material da bateria para caber no suporte de amostra, garantindo que cada amostra seja maior que o ponto do feixe. Fixe as amostras no porta-amostras com fita condutora dupla face. Para algumas amostras de pó, use papel alumínio para colar, se necessário.

Em seguida, ventile a trava de carga de amostra com gás nitrogênio. Use um pegador de amostra, como uma pinça grande, para carregar o suporte de amostra na trava de carga. Feche e avalie o bloqueio de carga.

Quando a pressão de bloqueio de carga estiver suficientemente baixa, abra a válvula entre o bloqueio de carga e a câmara principal. Usando o braço de transferência, transfira o porta-amostras para o manipulador principal na câmara principal. Feche a válvula para a trava de carga e, em seguida, abra a válvula entre a câmara principal e a linha de feixe.

Localize o ponto do feixe observando a fluorescência da luz visível em uma amostra de referência ou em um fósforo aplicado ao suporte da amostra. Posicione uma amostra no ponto do feixe usando os controles do manipulador de amostra. Conecte os cabos de sinal do monitor de fluxo de feixe de raios X ao computador de medição.

Ajuste as fendas do monocromador da linha de feixe para ajustar a resolução de energia do feixe de raios X incidente. Em seguida, defina a energia do feixe incidente para a borda de absorção do elemento ou elementos de interesse. Fixe o mecanismo do monocromador no lugar.

Meça a intensidade do fluxo do feixe e identifique o valor da folga do ondulador que fornece o fluxo máximo possível do feixe. Para iniciar o processo de coleta de dados sXAS, certifique-se de que o sample sinal de corrente usado para medir o rendimento total de elétrons seja direcionado para o computador de medição. Ligue as fontes de alimentação e os controladores do multiplicador de elétrons ou fotodiodo usado para medir o rendimento total de fluorescência.

Certifique-se de que o sinal seja direcionado para o computador. Em seguida, no software de aquisição de dados, selecione Single Motor Scan. Abra o menu Configuração de varredura e defina o intervalo de varredura de fótons de raios X incidente para abranger a borda sXAS de interesse.

Clique em Iniciar varredura para registrar simultaneamente o rendimento total de elétrons, o rendimento total de fluorescência e o fluxo do feixe durante a varredura da energia do fóton de raios-X incidente. Siga o mesmo alinhamento de feixe e procedimento de coleta de dados para adquirir dados sXAS para amostras adicionais. Se uma amostra de referência tiver sido verificada, ajuste o intervalo de verificação de acordo com qualquer deslocamento observado nos valores de sXAS.

Depois de coletar dados sXAS, ligue o espectrômetro para o sistema sXES e RIXS e resfrie o detector de raios X macios e, em seguida, abra os controles do motor. Defina os parâmetros do espectrógrafo para cobrir a faixa de energia dos elementos e bordas de interesse. Em seguida, selecione CCD Instrument Scan e abra a configuração de digitalização.

Para sXES, defina um valor único cerca de 20 a 30 elétron-volts acima da borda de absorção sXAS calibrada. Para RIXS, defina o intervalo de varredura para abranger a borda de absorção sXAS. Selecione Aplicar filtro de raios cósmicos para que os sinais de raios cósmicos sejam removidos das imagens RIXS 2D brutas após a coleta inicial de dados.

Inicie a varredura para coletar sinais fluorescentes em forma de imagem 2D para cada energia de excitação. Esta imagem RIXS foi coletada de uma amostra de material de bateria de íons de lítio na faixa de energia da borda de oxigênio-K e das bordas de manganês, cobalto e níquel-L. Um sXES de gama completa cobrindo todas as quatro bordas simultaneamente foi coletado em 10 segundos.

Um mapa RIXS da borda Nickel-L foi gerado a partir dos dados brutos da imagem RIXS. A análise deste mapa mostrou que as características do Nickel-L RIXS foram dominadas por excitações dd. Os estados redox de metais de transição em materiais de bateria de íons de sódio e íons de lítio foram analisados por ajuste quantitativo de espectros sXAS.

A distribuição de valência de manganês de superfície em eletrodos de óxido de sódio-manganês em camadas em diferentes estados eletroquímicos foi determinada pelo ajuste quantitativo dos espectros de sXAS a uma combinação linear de espectros de referência catiônicos de manganês II, III e IV. O processo redox de um eletrodo de óxido de lítio-níquel-manganês de espinélio foi identificado como transferências sequenciais de elétron único por uma abordagem de ajuste quantitativo semelhante usando rendimento total de fluorescência. Os estados de carga intermediários dos eletrodos de lítio-ferro-fosfato foram identificados por ajuste quantitativo com base nos espectros de sXAS dos eletrodos em 0% e 100% de carga.

Temos feito esforços para utilizar a espectroscopia de raios X moles baseada em síncrotron para caracterizar materiais de bateria com resultados sem precedentes. Após seu desenvolvimento, a técnica abriu caminho para os pesquisadores na área de materiais para baterias. Os pesquisadores podem usá-lo para explorar a mecânica fundamental do material da bateria.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como realizar a espectroscopia de raios-X moles em uma fonte de luz síncrotron.