TXM-inställning. Monokromatiska röntgenstrålar fokuseras på provet med hjälp av en kapillärkondensor. Provsteget kan överföra tre axlar, och rotation för tomografi. För XANES-avbildning varieras brännvidden för zonplattans objektivlins över det undersökta energiområdet. Bilderna är tagna med ett högupplöst laddningskopplat (CCD)-system. Kredit:Nelson et al. 2011
Oron över den begränsade tillgången på olja och effekten av växthusgaser på klimatet har stimulerat intensiva ansträngningar för att utveckla eldrivna fordon; det största hindret för framgångsrik kommersialisering är batteriteknik. Även om Li-ion batterier, avgörande i boomen av bärbar elektronik, stå som tekniken för valet i modeller som snart kommer att marknadsföras, ytterligare förbättringar av deras energitäthet, kosta, livslängd och säkerhet är fortfarande nödvändiga.
Observation av rörelsen av kemiska fasövergångsfronter och förändringar av elektrodporstrukturen, som möjliggör effektiv vätning av partiklarna genom elektrolyten och transport av litiumjoner, skulle kunna styra nya strategier för design av nästa generations högenergidensitetsenheter. Därav, övervakning av förändringar i elektroder under batteridrift (dvs. insättning/extraktion av Li-joner) kräver avbildning av morfologiska såväl som kemiska förändringar. XANES mikroskopi har löftet om att lägga till en ny dimension, 3D nanoskala kemisk och arkitektonisk visualisering, till diagnostik av Li-ion batterielektroder.
Detta arbete beskriver två nya publikationer där röntgenabsorption nära kantstruktur (XANES) mikroskopi, en revolutionerande teknik baserad på kombinationen av fullfältstransmissionsröntgenmikroskopi (TXM; se figur 1) med XANES, användes för att erhålla nanotomografi på material som finns i Li-ion batterielektroder (Nelson et al. 2011) och på själva batterielektroderna (Meirer et al. 2011). Röntgenmikroskopet med full fältöverföring på SSRL Beam Line 6-2 kan avbilda från 4 till 14 keV, en serie lämplig för spektroskopisk avbildning av många metaller som används i batterielektroder och andra material.
Med ett synfält på 30 mikron, utdragbar till millimeters rage med mosaikbilder, mikroskopet kan användas för att erhålla enpixel (15-30 nanometer) XANES-spektra, resulterar i ungefär en miljon XANES-spektra per energistack. Anpassning av XANES resulterar i en kemisk faskarta vid 30 nanometers upplösning (se figur 2 för schematisk över tekniken). Eftersom denna metod kombinerar hög upplösning med relativt stort synfält och djup hård röntgengenomträngning av material, den kan tillhandahålla 2D och 3D kemisk information över relativt stora områden som är relevanta för hierarkiska strukturer som finns i energimaterial som batterielektroder, bränsleceller, och katalytiska system.
Principer för databehandling för 3D XANES mikroskopi. (1) En bild erhålls i absorptionskontrast vid varje energi i XANES-skanningen. (2) XANER konstrueras från varje pixel som plottar normaliserad absorption mot energi. (3) XANES från varje pixel är anpassad för att skapa en kemisk faskarta. (4) En faskarta genereras vid varje vinkel i den tomografiska skanningen. (5) Uppsättningen av faskartor används för tomografisk rekonstruktion för att hämta 3D-kemisk artbildning. Kredit:Meirer et al. 2011
Den potentiella effekten av denna teknik illustreras med studien av de förändringar som sker i NiO när den cyklas i ett Li-batteri. NiO anses vara ett alternativt anodmaterial på grund av dess mycket höga laddningslagringsförmåga3. Användningen av XANES-mikroskopi för att analysera Li-ion NiO-batterielektroder vid olika laddningstillstånd resulterar i en serie bilder där närvaron av NiO och Ni, fasen som produceras vid reduktion, kan lösas och korreleras med förändringar i morfologi och porositet.
Inom ramen för energilagring, detta arbete ger en helt ny dimension till diagnostiken av Li-ion batterielektroder, som är anordningar av stor teknisk relevans på grund av deras implementering i eldrivna fordon. Mer allmänt sett, 3D XANES-mikroskopi är en unik teknik som kombinerar oöverträffad rums- och energiupplösning med stora synfält och snabb insamling (bilder kan erhållas på några minuter till några timmar) vars kapacitet och höga genomströmning leder till en övergripande påverkan inom en mängd olika områden som olika som energilagring, arkeologiska föremål, och biomaterial. Preliminärt arbete om NiO/Ni-avbildning publicerades i Applied Physics Letters och 3D XANES-arbetet om Li-jonbatterielektroder har publicerats i Journal of Synchrotron Radiation .
