Aqui, apresentamos um protocolo para experiências típicas da espectroscopia de absorção de raios-x mole (sXAS) e a dispersão ressonante de raios-x inelástica (RIX) com aplicações em estudos de material da bateria.
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Artigo de método
Elemental-sensíveis à deteção da química em baterias através de espectroscopia de absorção de raios-x moles e espalhamento inelástico de raios-x ressonante
Neste artigo
Resumo
Resumo
Armazenamento de energia se tornou cada vez mais um fator limitante da energia sustentável dos aplicativos de hoje, incluindo veículos elétricos e rede elétrica verde baseado no volátil solar e eólica fontes. A demanda urgente de desenvolvimento de soluções de armazenamento de energia eletroquímica de alto desempenho, ou seja,baterias, baseia-se no entendimento fundamental e desenvolvimentos práticos da Academia e indústria. O formidável desafio de desenvolver tecnologia de bateria bem sucedida origina-se os diferentes requisitos para aplicações de armazenamento de energia diferentes. Densidade de energia, poder, estabilidade, segurança e parâmetros de custo, que tudo tem que ser equilibrado em baterias para atender aos requisitos de aplicações diferentes. Portanto, várias tecnologias de bateria com base em diferentes materiais e mecanismos precisam ser desenvolvidas e otimizadas. Ferramentas incisivas que poderiam diretamente a sonda reações químicas em vários materiais de bateria estão se tornando críticas para fazer avançar o campo além da sua abordagem convencional de tentativa e erro. Aqui, apresentamos protocolos detalhados por espectroscopia de absorção de raios-x mole (sXAS), espectroscopia de emissão de raios-x macia (sXES) e ressonante inelástica raio x dispersão (RIX) experiências, que são inerentemente sensível elemental sondas do transição-metal 3D e ânion 2P Estados em compostos de bateria. Nós fornecemos os detalhes sobre as técnicas experimentais e demonstrações revelando os Estados chaves químicos em materiais de bateria por estas técnicas de espectroscopia de raios-x macias.
Introdução
Desenvolver baterias de alto desempenho é uma das exigências cruciais para a realização de aplicações de energia moderna com dispositivos e recursos ambientalmente benignos. Desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia de alta eficiência, baixo custo e sustentável tornou-se crítico para veículos elétricos (EVs) e a rede elétrica, com uma expansão de mercado de armazenamento de energia projetada de dez vezes nesta década. A tecnologia de bateria (LIB) onipresente do Li-íon permanece um candidato promissor para alta densidade de energia e alta potência energia armazenamento soluções1, enquanto as baterias de íon-at (SIBs) realizar ....
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Protocolo
1. experimental de planejamento
Nota: Enquanto sXES poderia ser executada com equipamentos baseados em laboratório, sXAS e Rix é experimentos baseados em síncrotron, que requer acesso para o beamtime de uma instalação de síncrotron. O procedimento de pedido beamtime e executando experimentos podem ser diferentes em diferentes instalações, mas todos eles seguem um procedimento básico semelhante.
- Verifique o site de instalação para o diretório de trajetória (por exemplo, https://als.lbl.gov/beamlines/), ou entre em contato com os cientistas no comando o interessado beamline(s) para determinar a trajetória adequada para a ne....
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Resultados
O porta-amostras e coladas amostras são mostradas em Figura 1. Figura 7uma é uma imagem típica do Rix coletada em uma energia de excitação particular com o espectrômetro de conjunto para as bordas do interessado. A imagem mostrada aqui foi coletado em um material de eletrodo da bateria, LiNi0,33Co0,33Mn0,33O2, com uma excitação energia de 858 eV e o detector fixado em s.......
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Discussão
O formidável desafio de melhorar o desempenho dos materiais de armazenamento de energia requer avanços das ferramentas incisivas para sondar diretamente as evoluções químicas em compostos de bateria durante operação eletroquímica. Espectroscopia de núcleo-nível de raio-x macia, como sXAS, sXES e Rix, é uma ferramenta de escolha para a detecção dos Estados de Valência crítico de ambos os ânions e cátions envolvidos em LIBs e SIBs.
Espectroscopia de núcleo-nível técnicas envolve a forte excitaçã.......
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Divulgações
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecimentos
O Advanced Light Source (ALS) de Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) é suportado pelo Director, Office of Science, escritório de energia ciências básicas, o departamento de energia dos EUA, sob contrato n º DE-AC02-05CH11231. QL graças a China Scholarship Conselho (CSC) para apoio financeiro através da colaboração com base em projeto de China 111 não. B13029. R.Q. agradece o apoio do programa LBNL LDRD. S.S. e Z.Z. agradecem o apoio da comunhão ALS doutoral.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Material | |||
| Eletrodo | materiais | sintetizados internamente ou obtidos de vários fornecedores. | |
| Folha de lítio | Sigma-Aldrich | 320080 | Ânodo para meias células. Armazene e manuseie em um porta-luvas de atmosfera inerte sob Ar. (www.sigmaaldrich.com) |
| de 282065 | Sigma-Aldrich | folha de sódio | para meias células. Armazene e manuseie em um porta-luvas de atmosfera inerte sob Ar. (www.sigmaaldrich.com) |
| Soluções eletrolíticas | BASF | Entre em contato com o fornecedor para formulações desejadas | http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/en/content/microsites/catalysts/prods-inds/batt-mats/electrolytes |
| grafite em flocos sintéticos | Timcal | SFG-6 | Aditivo condutor para eletrodos. (www.timcal.com) |
| Folha de índio | Sigma-Aldrich | 357308 | Usado se coletar sinais de carbono e oxigênio de amostras de energia |
| Gás argônio | Air Products | Pedido personalizado, entre em contato com fornecedores | Argônio usado para encher o porta-luvas onde montar e armazenar amostras sensíveis ao ar. (http://www.airproducts.com/products/gases.aspx) |
| Eqiupment | |||
| CCD | iKon-L | DO936N | Usado para capturar os fótons de emissão ao realizar o experimento sXES ou RiXS (http://www.andor.com/scientific-cameras/ikon-xl-and-ikon-large-ccd-series/ikon-l-936) |
| Porta-luvas de atmosfera inerte | MBRAUN | MB200B | Usado durante a montagem e armazenamento de amostras sensíveis ao ar. (http://www.mbraun.com/products/glovebox-workstations/mb200b-mod) |
| Carga da bateria e Testador de descarga | Bio-Logic | VMP3 | Usado para ciclos eletroquímicos de materiais de bateria. (https://www.bio-logic.net/en/) |
| Célula Swagelok | MTI | EQ-HSTC | Usada para conter a bateria para ciclagem eletroquímica |
| Suporte de amostra | fabricado em laboratório | Usado para segurar as amostras no experimento | |
| Ferramentas de hardware | várias | Incluindo pinças, tesouras (usadas para montar amostras), pinças (usadas para transferir suportes de amostras), etc. | |
| Fita de carbono e cobre | 3M | Pedido personalizado, entre em contato com fornecedores | Usado para colar as amostras em suportes de amostra |
| Igor Pro | WaveMetrics | 7.06 | Usado para processar os dados do experimento. (https://www.wavemetrics.com/index.html) |
Referências
- Armand, M., Tarascon, J. M. Building better batteries. Nature. 451 (7179), 652-657 (2008).
- Yang, Z., et al. Electrochemical energy storage for green grid. Chem Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
- Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical energy storage for the grid: a battery of choices.<....
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Reimpressões e permissões
