Элементаль чувствительных обнаружение химии в батареи через мягкие рентгеновской спектроскопии поглощения и резонансных неупругого рентгеновского рассеяния

Общая цель этого протокола заключается в применении спектроскопии поглощения мягкого рентгеновского излучения и резонансного неупругого рентгеновского рассеяния к исследованиям материалов аккумуляторов. Этот метод основан на использовании спектроскопии мягкого рентгеновского излучения, включая поглощение рентгеновского излучения и резонансное неупругое рассеяние рентгеновского излучения, так называемое RIXS, в качестве уникальных инструментов для ответа на ключевые вопросы в области аккумуляторов. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он может напрямую исследовать химические реакции в различных материалах батарей и развивать эту область за пределами традиционного метода проб и ошибок.

Хотя этот метод может дать представление о материалах аккумуляторов, он также может быть применен к другим системам, таким как катализаторы, солнечные батареи и полупроводники. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как без нее трудно освоить спектроскопию мягкого рентгеновского излучения на основе синхротрона. Этот протокол представляет собой подробный визуальный пример типичного эксперимента.

Для начала разрежьте образцы материала батареи по размеру держателя образца, убедившись, что каждый образец больше пятна луча. Зафиксируйте образцы на держателе образцов с помощью двусторонней проводящей ленты. Для некоторых образцов порошка при необходимости используйте индийовую фольгу для приклеивания.

Затем сбросьте загрузочный шлюз с помощью газообразного азота. Используйте захват образцов, например большой пинцет, чтобы загрузить держатель образца в загрузочный замок. Закройте и оцените блокировку загрузки.

Как только давление загрузочной блокировки станет достаточно низким, откройте клапан между загрузочным шлюзом и основной камерой. С помощью передаточного рычага перенесите держатель образца к основному манипулятору в главной камере. Закройте клапан на загрузочном замке, затем откройте клапан между основной камерой и линией луча.

Определите местоположение луча, наблюдая за флуоресценцией видимого света на эталонном образце или на люминофоре, нанесенном на держатель образца. Поместите образец в точку луча с помощью элементов управления манипулятором образцов. Подключите сигнальные кабели контроля потока рентгеновского луча к измерительному компьютеру.

Отрегулируйте щели монохроматора линии луча для настройки энергетического разрешения падающего рентгеновского пучка. Затем установите энергию падающего луча на кромку поглощения интересующего элемента или элементов. Закрепите механизм монохроматора на месте.

Измерьте интенсивность потока луча и определите значение зазора между ондуляторами, которое обеспечивает максимально возможный поток луча. Чтобы начать процесс сбора данных sXAS, убедитесь, что сигнал тока выборки, используемый для измерения общего выхода электронов, направлен на измерительный компьютер. Включите блоки питания и контроллеры электронного умножителя или фотодиода, используемого для измерения общего выхода флуоресценции.

Убедитесь, что сигнал направлен на компьютер. Затем в программном обеспечении для сбора данных выберите Single Motor Scan. Откройте меню Scan Setup и установите диапазон сканирования рентгеновских фотонов так, чтобы он охватывал границу интереса sXAS.

Нажмите кнопку «Начать сканирование», чтобы одновременно записывать общий выход электронов, общий выход флуоресценции и поток пучка при сканировании падающей энергии рентгеновских фотонов. Следуйте той же процедуре выравнивания луча и сбора данных, чтобы получить данные sXAS для дополнительных образцов. Если контрольный образец был отсканирован, отрегулируйте диапазон сканирования соответствующим образом для любого смещения, наблюдаемого в значениях sXAS.

После сбора данных sXAS включите спектрометр для системы sXES и RIXS и охладите детектор мягкого рентгеновского излучения, затем откройте органы управления двигателем. Установите параметры спектрографа так, чтобы они охватывали энергетический диапазон элементов и ребер интереса. Затем выберите «Сканирование ПЗС-прибора» и откройте окно «Настройка сканирования».

Для sXES установите одно значение примерно на 20–30 электронвольт выше калиброванного края поглощения sXAS. Для RIXS установите диапазон сканирования так, чтобы он охватывал фронт поглощения sXAS. Выберите «Применить фильтр космических лучей», чтобы сигналы космических лучей удалялись из необработанных изображений RIXS 2D после первоначального сбора данных.

Запустите сканирование для сбора флуоресцентных сигналов в виде 2D-изображения для каждой энергии возбуждения. Это изображение RIXS было получено из образца материала литий-ионного аккумулятора в диапазоне энергий края кислорода-K и края марганца, кобальта и никеля-L. Полный диапазон sXES, охватывающий все четыре края одновременно, был собран за 10 секунд.

Карта RIXS края Nickel-L была сгенерирована на основе необработанных данных изображения RIXS. Анализ этой карты показал, что в никель-L RIXS преобладают d-d возбуждения. Окислительно-восстановительные состояния переходных металлов в материалах натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов были проанализированы путем количественной аппроксимации спектров sXAS.

Поверхностное валентное распределение марганца в слоистых натрий-марганцевых оксидных электродах при различных электрохимических состояниях определяли путем количественной подгонки спектров sXAS к линейной комбинации референсных спектров катионов марганца II, III и IV. Окислительно-восстановительный процесс шпинель-никель-марганцевого оксидного электрода был идентифицирован как последовательные одноэлектронные переносы с помощью аналогичного количественного подхода с использованием общего выхода флуоресценции. Промежуточные зарядовые состояния литий-железо-фосфатных электродов определяли путем количественной подгонки на основе спектров sXAS электродов при заряде 0% и 100%.

Мы прилагаем усилия для использования синхротронной спектроскопии мягкого рентгеновского излучения для определения характеристик материалов батарей с беспрецедентными результатами. После своего развития эта технология проложила путь для исследователей в области материалов для аккумуляторов. Исследователи могут использовать его для изучения фундаментальной механулы материала батареи.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как проводить мягкую рентгеновскую спектроскопию на источнике синхротронного излучения.