Summary

זיהוי רגיש היסודות של הכימיה בסוללות דרך בליעה רכה רנטגן, רנטגן פלסטית תהודה פיזור

Published: April 17, 2018
doi:

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. היכנסו לאתר מתקן עבור ספריית הפרעו?…

Representative Results

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…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

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

Material
Electrode active materials various Synthesized in-house or obtained from various suppliers.
Lithium foil Sigma-Aldrich 320080 Anode for half cells. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under Ar. (www.sigmaaldrich.com)
Sodium foil Sigma-Aldrich 282065 Anode for half cells. Store and handle in an inert atmosphere glovebox under Ar. (www.sigmaaldrich.com)
Electrolyte solutions BASF Contact vendor for desired formulations http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes
Synthetic flake graphite Timcal SFG-6 Conductive additive for electrodes. (www.timcal.com)
Indium foil Sigma-Aldrich 357308 Used if collecting Carbon and Oxygen signals of power samples
Argon gas Air Products Custom order, contact vendors Argon used to fill glovebox where to assemble and store air-sensitive samples. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx)
Eqiupment
CCD iKon-L DO936N Used 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 glovebox MBRAUN MB200B Used during air-sensitive samples assembly and storage. (http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/mb200b-mod)
Battery Charge & Discharge Tester Bio-Logic VMP3 Used to electrochemical cycling of battery materials. (https://www.bio-logic.net/en/)
Swagelok cell MTI EQ-HSTC Used to contain the battery for electrochemical cycling
Sample holder manufactured in lab Used to hold the samples in the experiment
Hardware tools various Including tweezers, scissors (used to assemble samples), tongs (used to transfer sample holders), etc. 
Carbon and Copper tape 3M Custom order, contact vendors Used to paste the samples onto sample holders
Igor Pro WaveMetrics 7.06 Used 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).
check_url/fr/57415?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Wu, J., Sallis, S., Qiao, R., Li, Q., Zhuo, Z., Dai, K., Guo, Z., Yang, W. Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering. J. Vis. Exp. (134), e57415, doi:10.3791/57415 (2018).

View Video