JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כאן, אנו מציגים את פרוטוקול לניסויים טיפוסי של רנטגן רך בליעה (sXAS), תהודה פלסטית רנטגן פיזור (RIXS) עם יישומים במחקרים גשמי הסוללה.

Abstract

אחסון אנרגיה הפך יותר ויותר גורם מגביל של יישומי אנרגיה בת קיימא של היום, כולל כלי רכב חשמליים ו רשת החשמל הירוק בהתבסס על נדיף שמשי ורוח מקורות. הדרישה דחופים של פיתוח פתרונות אחסון אנרגיה אלקטרוכימי ביצועים גבוהים, קרי, סוללות, מסתמך על הבנה בסיסית והן ההתפתחויות מעשית מ הן באקדמיה והן בתעשייה. האתגר עצום של פיתוח טכנולוגיית הסוללה מוצלחת נובעת דרישות שונות עבור יישומי אחסון אנרגיה שונים. צפיפות אנרגיה, כוח, יציבות, בטיחות ופרמטרים עלות שכל חייב להיות באיזון סוללות כדי לענות על הדרישות של יישומים שונים. לכן, מרובים סוללות בטכנולוגיות המבוסס על חומרים שונים, מנגנוני צריך להיות שפותחה ו אופטימיזציה. כלים הנוקב והבהיר ישירות יכול לחקור את התגובות הכימיות בחומרים שונים של הסוללה לקריטיות לקידומם של מעבר שלה המקובלת במשפט-וטעיה. כאן, אנו מציגים נתונים היסטוריים פרוטוקולים עבור רנטגן רך בליעה (sXAS), ספקטרוסקופית פליטה רנטגן רך (sXES), וניסויים תהודה פלסטית רנטגן פיזור (RIXS), אשר הם רגשים רגיש היסודות מיסודו של המתכת מעבר 3d ו אניון הברית p 2 תרכובות הסוללה. אנו מספקים את הפרטים על טכניקות ניסיוני, הפגנות חשיפת הברית כימיים מפתח בחומרים הסוללה באמצעות שיטות ספקטרוסקופיית קרני רנטגן רך.

Introduction

אחת הדרישות חיוני למימוש יישומים אנרגיה מודרני עם התקנים ומשאבים לסביבה שפיר בפיתוח סוללות ביצועים גבוהים. פיתוח התקני אחסון יעילות גבוהה, בעלות נמוכה, וברות קיימא הפך להיות קריטי עבור כלי רכב חשמליים (EVs) וגם את רשת החשמל, עם הרחבת שוק אחסון אנרגיה המוקרנת עשר פעמים בעשור זה. Li-ion סוללה (ליב) הטכנולוגיה בכל מקום נשאר מועמד מבטיח צפיפות אנרגיה גבוהה, מתח גבוה האנרגיה אחסון פתרונות1, ואילו סוללות Na-יון (SIBs) להחזיק את ההבטחה של מימוש אחסון בעלות נמוכה ויציבה עבור רשת-ירוק יישומים2. עם זאת, הרמה הכללית של טכנולוגיית הסוללה הוא הרבה מתחת מה נדרש כדי לענות על הצורך של שלב חדש זה של סולם באמצע וגדולים האנרגיה אחסון1,3.

האתגר הקשה של פיתוח מערכת אגירת אנרגיה ביצועים גבוהים נובע מורכבים מכאני ואלקטרוני מאפייני הפעולות הסוללה. המאמצים התמקדו גשמי סינתזה, תכונות מכניות. עם זאת, ההתפתחות של הברית כימי של רכיבי מסוימים באלקטרודות סוללה לעתים קרובות תחת הדיון פעיל עבור הסוללה פיתח חומרי. באופן כללי, לאימייל והן SIBs פועלים עם התפתחות הברית אלקטרונית מופעלת על ידי התחבורה הציבורית של אלקטרונים, יונים במהלך תהליך טעינה ופריקה, שמוביל חמצון וצמצום (חמצון-חיזור) לתגובות של לרכיבים ספציפיים. כמו צוואר הבקבוק עבור פרמטרים ביצועים רבים, הסוללה cathodes שולמו תשומת לב רבה מחקר ופיתוחים4,5. חומר הקתודה הסוללה מעשי לעתים קרובות תחמוצת (TM) של מתכות מעבר 3d לערוצי מבני מסוים עבור יון דיפוזיה. כמקובל, תגובת חמצון-חיזור מוגבלת לרכיבי TM; אולם, התוצאות האחרונות עולה כי חמצן ואולי יכול להיות מנוצל הפיך אופניים אלקטרוכימי6. מנגנון חמצון-חיזור הוא אחד החלקים הקריטיים ביותר של מידע להבנת פעולת אלקטרוכימי ולאחר בדיקה ישירה של ארצות כימי של אלקטרודות סוללה עם רגישות אלמנטלים ולכן רצוי מאוד.

מבוסס סינכרוטרון, רך הספקטרומטריה הוא בטכניקה מתקדמת שמזהה את הברית אלקטרון ערכיות באזור רמת פרמי ב הסוללה חומרים7. בגלל רגישות גבוהה רנטגן רך פוטונים כדי האלקטרונים של רכיב ספציפי לבין הספקטרומטריה מסלולית, רך יכול להיות מנוצל כמו בדיקה ישירה של הברית אלקטרון קריטי אלקטרודות סוללה8, או את הממשקים בסוללות 9. יתר על כן, לעומת צילומי רנטגן קשה, צילומי רנטגן רך נמוכים באנרגיה, כיסוי excitations מרכיבי נמוך-Z, למשל, C, N, O, ו של 2, p- כדי - עירורתלת-ממד ב- 3d TMs10.

Excitations של הספקטרומטריה רך לערב קודם מעברים אלקטרונים ממצב ליבה מסוימת למצב מאוכלס על ידי קליטת אנרגיה מן פוטונים רנטגן רך. עוצמת הקליטה הספקטרומטריה רך כזה ובכך מקביל הצפיפות של המדינה (DOS) של המדינות הבלתי כבושה (הולכה-band) עם קיומו של החורים-הליבה נרגש. מקדם ספיגה רנטגן נמדד על ידי זיהוי המספר הכולל של פוטונים או אלקטרונים הנפלטים בתהליך דעיכה. התשואה הכוללת אלקטרון (TEY) מונה את המספר הכולל של אלקטרונים הנפלטים, והוא לכן מצב זיהוי-פוטון-אלקטרון-אאוט (PIEO). TEY יש עומק בדיקה שטחית של ננומטרים, ולכן הוא רגיש יחסית משטח, בשל העומק לברוח רדוד של אלקטרונים. עם זאת, כמו מצב זיהוי (פיפו)-פוטון-פוטון-אאוט, התשואה הכולל קרינה פלואורסצנטית (TFY) מודד את המספר הכולל של הפוטונים הנפלטים בתהליך sXAS. העומק בדיקה שלה הוא על מאות ננומטר, שהוא יותר עמוק מזה של TEY. לאור ההבדל בעומקים בדיקה, הניגוד בין TEY TFY יכול לספק מידע חשוב עבור השוואה בין משטח בכמות גדולה של החומר.

sXES היא טכניקה פיפו, התואם הדעיכה של המדינה יצא כדי למלא את החור הליבה, שמוביל פליטת פוטונים רנטגן-אנרגיות אופיינית. אם האלקטרון הליבה הוא נרגש המדינה אלקטרון הרצף רחוק מן הסף sXAS, זה תהליך פלורסצנטיות רנטגן-תהודה התואם הדעיכה של כבוש (-ערכיות) אלקטרונים הליבה חורים, קרי, sXES משקף DOS של המדינות ערכיות. אחרת, אם האלקטרון הליבה רוגשת resonantly אל בדיוק הסף הקליטה, ספקטרום פליטה וכתוצאה מכך כוללים התלות באנרגיה עירור חזק. במקרה הזה, הניסויים ספקטרוסקופיה מסומנים כמו תהודה פלסטית רנטגן פיזור (RIXS).

כי sXAS ו- sXES מתאים ריקים (הולכה-band), כבוש (-ערכיות) אלקטרון הברית, בהתאמה, הם מספקים מידע משלים על הברית אלקטרון מעורב הפחתת תגובות חמצון בסוללה אלקטרודות על מבצע אלקטרוכימי11. עבור רכיבים נמוך-Z, במיוחד sXAS12,C13, N14, ו O15,16,17, כבר בשימוש נרחב ללמוד הברית אלקטרון קריטי המתאים הן את האלקטרון להעביר12,13 ,16,15,הכימי17. עבור תלת-ממד TMs, sXAS של TM L-קצוות בהצלחה הוכח להיות בדיקה יעילה של תגובות חמצון-חיזור TM של V18, Mn19,20,21,22, 23, Fe23,24,25,26,20,Co27ו ני20,28. כי התכונות sXAS TM-L נשלטים על ידי האפקט multiplet מוגדרים היטב, אשר רגישים שונים TM חמצון18,19,20,21,22 ,24,25,26,27,28 ו ספין קובע14,29, הנתונים sXAS TM יכולה לאפשר אפילו כמותיים ניתוח של הזוגות חמצון-חיזור TM אלקטרודות LIB, SIB27.

לעומת העבודה הפופולרי של sXAS ללימודי גשמי הסוללה, RIXS הוא מנוצל לעתים רחוקות בשל המורכבות של ניסויים והן פרשנות הנתונים להשגת מידע משמעותי הקשורים ביצועי סוללה10. עקב סלקטיביות כימית-המדינה גבוה במיוחד של RIXS, RIXS זאת, פוטנציאל בדיקה הרבה יותר רגישים של האבולוציה כימי המדינה בחומרים סוללה עם רגישות אלמנטלים הטבועה. SXES האחרונות ודוחות RIXS מאת Jeyachandran. et al., יש לראווה את רגישות גבוהה RIXS תצורות כימיים ספציפיים במערכות יון-יוצרות מעבר sXAS30,31. עם ההתפתחויות האחרונות מהירה של יעילות גבוהה RIXS מערכות32,33,34, RIXS השתנה במהירות מכלי לפיזיקה יסודית כדי טכניקה חזקה למחקר הסוללה, הופך לעתים כלי-של-בחירה עבור מחקרים ספציפיים של האבולוציה הקטיון והן אניון תרכובות הסוללה.

בעבודה זו, הציג את הפרוטוקולים מפורט עבור sXAS, sXES ו- RIXS ניסויים. . אנחנו מכסים את הפרטים של תכנון ניסיוני, הליכים טכניים לשאת כל ניסויים, וחשוב יותר, עיבוד נתונים שיטות ספקטרוסקופיות שונות. יתר על כן, שלוש נציג תוצאות מחקרים גשמי הסוללה מוצגים כדי להדגים את היישומים של שלושה רך רנטגן ספקטרוסקופיה טכניקות אלה. נציין כי הפרטים הטכניים של ניסויים אלה יכול להיות שונה-תחנות קצה שונים ו/או מתקנים. בנוסף, ניסויים באתרו לשעבר , מקומיים יש הליכים להגדרת שונה מאוד על הדגימה טיפול בשל הדרישות המחמירות של ואקום אולטרה גבוה עבור רנטגן רך ספקטרוסקופיה35. אבל פרוטוקול כאן מייצג את ההליך טיפוסי יכול לשמש כהפניה נפוצות לניסויים ספקטרוסקופיית קרני רנטגן רך במערכות שונות ניסיוני מתקנים שונים.

Protocol

1. תכנון ניסויי

הערה: בעוד sXES יכול להתבצע עם הציוד במעבדה מבוסס, sXAS ו- RIXS הם מבוססי סינכרוטרון ניסויים, אשר דורש גישה beamtime של מתקן סינכרוטרון. בהליך הגשת בקשה beamtime וניסויים פועל יכול להיות שונה מתקנים שונים, אך כולם לבצע הליך בסיסי דומה.

  1. היכנסו לאתר מתקן עבור ספריית הפרעות לקרן החלקיקים (למשל, https://als.lbl.gov/beamlines/), או פנה המדענים אחראי beamline(s) מעוניין לקבוע את הפרעות לקרן החלקיקים נכונה עבור הצורך מדעי.
  2. להגיש הצעות beamtime המתקן ואת beamline(s) של מקור אור מתקדם (ALS) דרך במערכת ההגשות ב https://als.lbl.gov/users/user-guide/.
    הערה: ההצעה beamtime תיבחן בהתבסס על המדיניות של המתקן סינכרוטרון, מחברי הצעות מוצלחת תמסר על ידי המתקן לתזמון ניסיוני.
  3. עבור פקדים בטיחות, להשלים את כל הדרכות הבטיחות הנדרשים על פי הדרישות של המתקן. הדו ח כימיקלים, דגימות וציוד מיוחד הנדרש על ידי ניסויים, וקבל ביקורות להבטחת בטיחות.
  4. מגיעים במתקן מקדים beamtime כדי לקבל רעיונות בסיסיים על הגדרת הניסוי, דוגמת טעינה, במיוחד כמו המשתמשים החדשים מתקן/הפרעות לקרן החלקיקים.

2. הכנת הדוגמא

  1. לסנתז את הדגימות של החומרים LIB, SIB, electrochemically מחזור שונים המדינה-of-אחראי (SOC).
  2. בצע את השלבים הבאים עבור דגימות אוויר רגיש:
    1. להתמודד עם דגימות אוויר רגיש ללא חשיפה אוויר, כלומר לפתוח את המכולות מדגם, וחותכים את הדגימות עם פינצטה ומספריים בגודל מתאים מערכת ניסויית תחת סביבה גז אינרטי.
    2. לטעון את הדגימות עם גודל המתאים על מחזיקי מדגם באמצעות מוליך סרט הדבקה דו-צדדי תחת סביבה גז אינרטי.
      הערה: אם קצוות פחמן או חמצן כדי למדוד, השתמש מתכות רכות כגון אינדיום שנשארת הדגימות אבקה על, להימנע רקע C ו- O אותות של תרכובות אורגניות של הקלטת מוליך.
  3. לקבלת דוגמאות ללא אוויר-רגיש, בצע את השלבים הבאים:
    1. חותכים את הדוגמאות כדי להתאים בעל מדגם ספציפי עבור מערכות ניסויות.
    2. לטעון את הדגימות עם הגודל המתאים על מחזיקי מדגם באמצעות סרט הדבקה ואטימה דו-צדדי. השתמש בנייר כסף אינדיום אם איסוף הפחמן והחמצן אותות של כוח דגימות.
  4. לקבלת דוגמאות מקומיים , להכין דגימות מקומיים עם תאים ספציפיים המיישמות בדרך כלל ממברנה רנטגן רך. בדוק חיבורי חשמל שלמות התא לפני טעינת לתוך מערכת ניסויית.
    הערה: פרטים אודות תאים מקומיים יצאו היקף עבודה זו, אך ניתן למצוא פרסומים קודמים35,36,37.

3. מיקום דגימות וטעינה

הערה: עקב הדרישה של ואקום אולטרה גבוה לניסויים ספקטרוסקופיית קרני רנטגן רך, דוגמת טעינה בדרך כלל לוקח מרובי שלבים לעבור תא ואקום מאגר לפני הכניסה לאולם המרכזי ניסיוני.

  1. להפסיק משאבות ואקום, סגור את שסתום ואקום בין מדגם loadlock התא ניסיוני, לפרוק את מדגם loadlock, אשר בדרך כלל מחוברת ישירות למערכת ניסיוני עם גז2 N.
  2. השתמש תופש מדגם תוצרת בית או פינצטה גדולה כדי לתפוס את בעל מדגם ולטעון אותו לתוך loadlock.
  3. התחל שאיבה של loadlock. המתן עד מד לחץ ואקום מציג נמוך מספיק ואקום לפתיחת את loadlock לתא הניסוי הראשי, בדרך כלל סביב אמצע 10-7 טנדר של גוה.
  4. . פתח את הברז בין את loadlock הראשי להעביר את בעל מדגם על גבי manipulator העיקרי של התא הראשי באמצעות הזרוע העברה.
  5. . פתח את הברז בין ניסיוני לאולם המרכזי של הפרעות לקרן החלקיקים לקבוע את המקום קרן על ידי הסתכלות על דגימת עם זריחה האור.
  6. מקם את הדגימה על הקורה ספוט על-ידי שינוי את הקואורדינטות של manipulator מדגם של endstation ניסיוני.

4. להגדיר את האנרגיה רנטגן והרזולוציה

  1. לשנות את הערכים של חרכי monochromator הפרעות לקרן החלקיקים, באמצעות התוכנית המחשב או ידית התאמה ידנית, כדי לשלוט ברזולוציה אנרגיה של קרן רנטגן התקרית.
  2. הגדר את האנרגיה קרן התקרית הערך הרצוי לקבלת גישה בקצה הקליטה מעוניינת לרכיבים, למשל, 290 eV עבור C-K, 530 eV עבור קצוות O-K38.
  3. חבר את כבלי איתות של צג ה-רנטגן קרן השטף (I-0), המהווה בדרך כלל זהב נקי רשת שינוי בתוואי קרן.
  4. תיקון מנגנון monochromator הפרעות לקרן החלקיקים ולאסוף את עוצמת השטף קרן על פער undulator. לקבוע ערך פער מסוים undulator השטף המרבי קרן אפשרי.
    הערה: מכיוון sXAS דורשת מגוון אנרגיה גדולים עבור קצוות שונים, לאופטימיזציה של הפער undulator כדי להשיג את השטף המרבי קרן אפשרי נחוץ לעיתים קרובות.

5. איסוף sXAS נתונים

הערה: התשואה הכוללת sXAS נתונים נאספים על ידי רישום עצמת הקרינה של אותות הן המדגם הנוכחי (TEY) לבין channeltron או פוטודיודה (TFY). התשואה חלקית אותות נאספים בדרך כלל דרך channeltron מגודרת גלאי של מצב מוצק. כי מערכת RIXS הוא הציג כאן, RIXS מכסה כל מיני סוגים של קרינה פלואורסצנטית חלקית תשואות אותות (PFY), כולל PFY ו ההיפוך-PFY (iPFY), רק את פרוטוקול טיפוסי TEY, איסוף נתונים TFY מתואר בהפעלה זו.

  1. להתחבר המדגם הנוכחי המגבר, להאכיל את המדגם הנוכחי האות (TEY) לדלפק המחשב.
  2. הפעל את ספקי כוח ובקרי של channeltron או פוטודיודה, להאכיל את האות TFY לדלפק המחשב.
  3. להתחיל את LabVIEW sXAS נתונים רכישת grogram BL הבקרה הראשי כדי להגיע ממשק התוכנה (איור 2) ולאחר מכן לחץ על לחצן התפריט סריקה | יחיד מנוע סריקה (איור 2).
  4. לחץ על לחצן התפריט הגדרת סריקה (איור 3) להגדרת טווח סריקה של האירוע (הפרעות לקרן החלקיקים) רנטגן פוטונים כדי להתאים את sXAS מעוניין קצוות, למשל, 280-300 eV עבור שפת C-K.
  5. לחץ על הלחצן הפעל סריקה (איור 3) כדי להקליט את עוצמת האותות TEY (i) (ii) TFY, ו- (iii) הערוצים I-0 בו זמנית בזמן הסריקה האירוע האנרגיה של פוטון צילום רנטגן.
    הערה: בדרך כלל יהיה שינוי קטן של eV מספר על האירוע האנרגיה של פוטון צילום רנטגן. לצורך כיול, לאסוף את הנתונים sXAS של אחד או יותר אופייני דוגמיות לפני איסוף הדגימות גשמי הסוללה.

6. איסוף sXES ונתונים RIXS

הערה: מכיוון sXES היא טכנית לאחד RIXS לחתוך במטווח ללא תהודה אנרגיה (גבוהה), אוסף נתונים ואת תהליך זהים בעיקרם.

  1. לאסוף את sXAS קודם כדי להגדיר את הטווח אנרגיה עירור לכייל את ערכי אנרגיה (עיין פרוטוקול שלב 5).
  2. הפעל את ספק הכוח של הגלאי ספקטרומטר של מערכת sXES/RiXS, ולאחר לקרר את גלאי רנטגן רך כדי להפחית את רעשי הרקע, לפי ההמלצות של יצרן.
  3. להתחיל את grogram רכישת נתונים sXES/RiXS LabVIEW BL הבקרה הראשי כדי להגיע ממשק התוכנה (איור 4).
  4. לחץ על לחצן התפריט מוטורס (איור 4) כדי להגדיר את הפרמטרים אופטי של spectrograph כך הגלאי מכסה טווח האנרגיה הרכיבים מעוניין ואת הקצוות (איור 5).
  5. לחץ על לחצן התפריט סריקה (איור 4) | סריקה CCD כלי (איור 6).
  6. לחץ על לחצן תפריט ההתקנה סריקה (איור 6) כדי להגדיר את טווח סריקה של האירוע (הפרעות לקרן החלקיקים) האנרגיה של פוטון צילום רנטגן. אם אוסף sXES, להגדירו לערך יחיד זה בערך 20-30 eV מעל הקצה ספיגת sXAS; אחר, אם אוסף RiXS, הגדר האירוע אנרגיה רנטגן (הפרעות לקרן החלקיקים) טווח שמכסה הקצה ספיגת sXAS.
  7. בחר בסמל החל מסנן קרינה קוסמית (איור 6) כדי להסיר את האותות קוסמית מתמונות raw RIXS דו-ממדיות, פעם אחת הם שנאספו גלאי spectrograph.
  8. לחץ על הלחצן הפעל סריקה (איור 6) לאסוף את הסימנים פלורסצנטיות, אשר היו diffracted ותוקנו אנרגיה-מאת אופטי פומפיה, בדמות תמונה דו-ממדית על ידי הגלאי-spectrograph עבור כל עירור אנרגיה.

7. sXAS תהליך הנתונים

הערה: המידע מהניסוי, כולל sXAS, כמו גם sXES, RiXS, מעובד בתוכנית איגור Pro.

  1. לנרמל את אותות TEY, TFY sXAS על האותות I-0 הנאספות בו זמנית.
  2. לחשב את השגיאה אנרגיה בין sXAS שנאספו של הדגימות הפניה עם התקן; כיול sXAS אותות על ידי העברת האנרגיות לפי השגיאה אנרגיה מחושב.

8. sXES ותהליך נתונים RIXS

  1. לשלב את העוצמה של התמונה 2D raw על-ידי סיכום הסעיפים פוטון לאורך ערוצי האנרגיה-פליטה מותאם זווית כדי ליצור sXES יחיד או RIXS ספקטרום.
  2. לנרמל את הקשת RIXS משולב 1 י ל שני האירוע לשגר השטף בפיקוח בזמן אמת במהלך איסוף הנתונים, והפעם אוסף (בשניות).
  3. מגרש הקשת 1 י מנורמל בתבנית בגווני צבע.
  4. עבור נתונים RiXS, חזור על שלבים 8.1-8.3 עבור כל עירור אנרגיה לקבל סדרת 1D ספקטרום RIXS על ערוצי אנרגיה פליטה; לאחר מכן, מחסנית כל בגווני צבע 1 י RIXS ספקטרום אחד-אחד לתוך מפת תמונה דו-ממדית, עם ציר אחד לאורך עירור אנרגיה, ציר אחר מציג את ערוצי אנרגיה פליטה.
  5. לכייל את הערכים של עירור אנרגיה של הספקטרום sXES או RIXS מפות באמצעות כיול sXAS, בדרך כלל באמצעות דגימות הפניה (עיין פרוטוקול צעד 7.2).
  6. בחר קבוצת נקודות (x = מספר, ערוץ y = ערך אנרגיה) לאורך התכונות אלסטי במפה RIXS, האנרגיות עירור, פליטה איפה זהה; התנהלות עקומה ליניארית עם ערכת נקודות כדי להשיג את הערך אנרגיה רשמי לכל ערוץ; לפי היחס, שנה קנה מידה של ציר x מן ערוץ אנרגיה.

תוצאות

בעל מדגם ודוגמאות מודבקות מוצגים איור 1. איור 7 תמונה RIXS טיפוסי נאסף האנרגיה עירור מסוים עם ספקטרומטר להגדיר את הקצוות מעוניין. התמונה המוצגת כאן היה שנאספו על חומר אלקטרודה הסוללה, LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2, עם עירור הא...

Discussion

האתגר עצום של שיפור הביצועים של חומרי אחסון אנרגיה דורש ההתקדמות של כלים הנוקב והבהיר לחקור ישירות את וצמחתי כימי תרכובות הסוללה על מבצע אלקטרוכימי. רך ברמת הליבה הספקטרומטריה, כגון sXAS, sXES, RIXS, היא כלי-של-בחירה לגילוי מדינות הערכי ביקורתית אניונים והן קטיונים מעורב LIBs ו SIBs.

ט...

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

מתקדמת אור מקור (ALS) של לורנס ברקלי הלאומית מעבדה (LBNL) נתמך על ידי מנהל, משרד המדע, משרד בסיסי אנרגיה למדעים, של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית תחת חוזה מס דה-AC02-05CH11231. Q.L. תודה על סין מלגת מועצה (CSC) עבור תמיכה כספית באמצעות שיתוף פעולה המבוסס על פרוייקט סין 111 לא B13029. R.Q. תודה תמיכה מתוכנית LBNL LDRD. במקרה של Z.Z. תודה התמיכה של ALS דוקטורט.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Material
Electrode active materialsvariousSynthesized in-house or obtained from various suppliers.
Lithium foilSigma-Aldrich320080Anode for half cells. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under Ar. (www.sigmaaldrich.com)
Sodium foilSigma-Aldrich282065Anode for half cells. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under Ar. (www.sigmaaldrich.com)
Electrolyte solutionsBASFContact vendor for desired formulationshttp://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes
Synthetic flake graphiteTimcalSFG-6Conductive additive for electrodes. (www.timcal.com)
Indium foilSigma-Aldrich357308Used if collecting Carbon and Oxygen signals of power samples
Argon gasAir ProductsCustom order, contact vendorsArgon used to fill glovebox where to assemble and store air-sensitive samples. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
Eqiupment
CCDiKon-LDO936NUsed to capture the emission photons when carrying out the sXES or RiXS experiment (http://www.andor.com/scientific-cameras/ikon-xl-and-ikon-large-ccd-series/ikon-l-936)
Inert atmosphere gloveboxMBRAUNMB200BUsed during air-sensitive samples assembly and storage. (http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/mb200b-mod)
Battery Charge & Discharge TesterBio-LogicVMP3Used to electrochemical cycling of battery materials. (https://www.bio-logic.net/en/)
Swagelok cellMTIEQ-HSTCUsed to contain the battery for electrochemical cycling
Sample holdermanufactured in labUsed to hold the samples in the experiment
Hardware toolsvariousIncluding tweezers, scissors (used to assemble samples), tongs (used to transfer sample holders), etc. 
Carbon and Copper tape3MCustom order, contact vendorsUsed to paste the samples onto sample holders
Igor ProWaveMetrics7.06Used to process the experiment data. (https://www.wavemetrics.com/index.html)

References

  1. Armand, M., Tarascon, J. M. Building better batteries. Nature. 451 (7179), 652-657 (2008).
  2. Yang, Z., et al. Electrochemical energy storage for green grid. Chem Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
  3. Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical energy storage for the grid: a battery of choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
  4. Ellis, B. L., Lee, K. T., Nazar, L. F. Positive Electrode Materials for Li-Ion and Li-Batteries. Chemistry of Materials. 22 (3), 691-714 (2010).
  5. Goodenough, J. B., Kim, Y. Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemistry of Materials. 22 (3), 587-603 (2009).
  6. Grimaud, A., Hong, W. T., Shao-Horn, Y., Tarascon, J. M. Anionic redox processes for electrochemical devices. Nat Mater. 15 (2), 121-126 (2016).
  7. Wanli Yang, R. Q. Soft x-ray spectroscopy for probing electronic and chemical states of battery materials. Chin. Phys. B. 25 (1), 17104 (2016).
  8. Yang, W., et al. Key electronic states in lithium battery materials probed by soft X-ray spectroscopy. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 190, 64-74 (2013).
  9. Qiao, R., Yang, W. Interactions at the electrode-electrolyte interfaces in batteries studied by quasi-in-situ soft x-ray absorption spectroscopy. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. , (2017).
  10. Lin, F., et al. Synchrotron X-ray Analytical Techniques for Studying Materials Electrochemistry in Rechargeable Batteries. Chem Rev. , (2017).
  11. Liu, X., et al. Why LiFePO4 is a safe battery electrode: Coulomb repulsion induced electron-state reshuffling upon lithiation. Phys Chem Chem Phys. 17 (39), 26369-26377 (2015).
  12. Liu, G., et al. Polymers with tailored electronic structure for high capacity lithium battery electrodes. Adv Mater. 23 (40), 4679-4683 (2011).
  13. Wu, M., et al. Toward an Ideal Polymer Binder Design for High-Capacity Battery Anodes. Journal of the American Chemical Society. 135 (32), 12048-12056 (2013).
  14. Wang, L., et al. Rhombohedral prussian white as cathode for rechargeable sodium-ion batteries. J Am Chem Soc. 137 (7), 2548-2554 (2015).
  15. Qiao, R., et al. Distinct Solid-Electrolyte-Interphases on Sn (100) and (001) Electrodes Studied by Soft X-Ray Spectroscopy. Advanced Materials Interfaces. 1 (100), (2014).
  16. Shan, X., et al. Bivalence Mn5O8 with hydroxylated interphase for high-voltage aqueous sodium-ion storage. Nat Commun. 7, 13370 (2016).
  17. Qiao, R., Chuang, Y. D., Yan, S., Yang, W. Soft x-ray irradiation effects of Li(2)O(2), Li(2)CO(3) and Li(2)O revealed by absorption spectroscopy. PLoS One. 7 (11), 49182 (2012).
  18. Bak, S. -. M., et al. Na-Ion Intercalation and Charge Storage Mechanism in 2D Vanadium Carbide. Advanced Energy Materials. , 1700959 (2017).
  19. Zhuo, Z., et al. Effect of excess lithium in LiMn2O4 and Li1.15Mn1.85O4 electrodes revealed by quantitative analysis of soft X-ray absorption spectroscopy. Applied Physics Letters. 110, 093902 (2017).
  20. Qiao, R., et al. Transition-metal redox evolution in LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 electrodes at high potentials. Journal of Power Sources. 360, 294-300 (2017).
  21. Qiao, R., et al. Revealing and suppressing surface Mn(II) formation of Na0.44MnO2 electrodes for Na-ion batteries. Nano Energy. 16, 186-195 (2015).
  22. Qiao, R., et al. Direct evidence of gradient Mn(II) evolution at charged states in LiNi0.5Mn1.5O4 electrodes with capacity fading. Journal of Power Sources. 273, 1120-1126 (2015).
  23. Wu, J., et al. Modification of Transition-Metal Redox by Interstitial Water in Hexacyanometallate Electrodes for Sodium-Ion Batteries. Journal of the American Chemical Society. , (2017).
  24. Liu, X., et al. Phase Transformation and Lithiation Effect on Electronic Structure of LixFePO4: An In-Depth Study by Soft X-ray and Simulations. Journal of the American Chemical Society. 134 (33), 13708-13715 (2012).
  25. Liu, X., et al. Distinct charge dynamics in battery electrodes revealed by in situ and operando soft X-ray spectroscopy. Nat Commun. 4, 2568 (2013).
  26. Zhuo, Z., Hu, J., Duan, Y., Yang, W., Pan, F. Transition metal redox and Mn disproportional reaction in LiMn0.5Fe0.5PO4 electrodes cycled with aqueous electrolyte. Applied Physics Letters. 109 (2), 023901 (2016).
  27. Li, Q., et al. Quantitative probe of the transition metal redox in battery electrodes through soft x-ray absorption spectroscopy. Journal of Physics D: Applied Physics. 49 (41), 413003 (2016).
  28. Qiao, R., et al. Direct Experimental Probe of the Ni(II)/Ni(III)/Ni(IV) Redox Evolution in LiNi0.5Mn1.5O4Electrodes. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (49), 27228-27233 (2015).
  29. Pasta, M., et al. Manganese-cobalt hexacyanoferrate cathodes for sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A. 4 (11), 4211-4223 (2016).
  30. Jeyachandran, Y. L., et al. Investigation of the Ionic Hydration in Aqueous Salt Solutions by Soft X-ray Emission Spectroscopy. J Phys Chem B. 120 (31), 7687-7695 (2016).
  31. Jeyachandran, Y. L., et al. Ion-Solvation-Induced Molecular Reorganization in Liquid Water Probed by Resonant Inelastic Soft X-ray Scattering. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (23), 4143-4148 (2014).
  32. Fuchs, O., et al. High-resolution, high-transmission soft x-ray spectrometer for the study of biological samples. Rev Sci Instrum. 80 (6), 063103 (2009).
  33. Chuang, Y. -. D., et al. Modular soft x-ray spectrometer for applications in energy sciences and quantum materials. Review of Scientific Instruments. 88 (1), 013110 (2017).
  34. Qiao, R., et al. High-efficiency in situ resonant inelastic x-ray scattering (iRIXS) endstation at the Advanced Light Source. Review of Scientific Instruments. 88 (3), 033106 (2017).
  35. Liu, X., Yang, W., Liu, Z. Recent Progress on Synchrotron-Based In-Situ Soft X-ray Spectroscopy for Energy Materials. Adv Mater. 26 (46), 7710-7729 (2014).
  36. Guo, J. The development of in situ photon-in/photon-out soft X-ray spectroscopy on beamline 7.0.1 at the ALS. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 188, 71-78 (2013).
  37. Blum, M., et al. Solid and liquid spectroscopic analysis (SALSA)-a soft x-ray spectroscopy endstation with a novel flow-through liquid cell. Review of Scientific Instruments. 80 (12), 123102 (2009).
  38. Williams, G. P. . X-RAY DATA BOOKLET. , (2009).
  39. Achkar, A. J., et al. Bulk sensitive x-ray absorption spectroscopy free of self-absorption effects. Physical Review B. 83 (8), 081106 (2011).
  40. Qiao, R., Chin, T., Harris, S. J., Yan, S., Yang, W. Spectroscopic fingerprints of valence and spin states in manganese oxides and fluorides. Current Applied Physics. 13 (3), 544-548 (2013).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

134NasXASRIXS

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved