Bedre batterier gennem nanoskala 3D kemisk billeddannelse

Bekymringer over den begrænsede tilgængelighed af olie og virkningen af ​​drivhusgasser på klimaet har ansporet til intense bestræbelser på at udvikle elektriske køretøjer; den største barriere for vellykket kommercialisering er batteriteknologi. Selvom Li-ion batterier, afgørende i boomet af bærbar elektronik, stå som den foretrukne teknologi i modeller, der snart skal markedsføres, yderligere forbedringer i deres energitæthed, koste, cyklus levetid og sikkerhed er stadig nødvendige.

Observation af bevægelsen af ​​kemiske faseovergangsfronter og ændringer i elektrodeporestrukturen, som muliggør effektiv befugtning af partiklerne ved elektrolytten og transport af lithiumioner, kunne lede nye strategier for design af næste generation af højenergitætheder. Derfor, overvågning af ændringer i elektroder under batteridrift (dvs. indsættelse/ekstraktion af Li-ioner) kræver billeddannelse af morfologiske såvel som kemiske ændringer. XANES mikroskopi har løftet om at tilføje en ny dimension, 3D nanoskala kemisk og arkitektonisk visualisering, til diagnostik af Li-ion batterielektroder.

Dette arbejde beskriver to nyere publikationer, hvori X-ray absorption near edge structure (XANES) mikroskopi, en revolutionerende teknik baseret på kombinationen af ​​fuld-felt transmission røntgenmikroskopi (TXM; se figur 1) med XANES, blev brugt til at opnå nanotomografi på materialer fundet i Li-ion batterielektroder (Nelson et al. 2011) og på selve batterielektroderne (Meirer et al. 2011). Fuldfeltstransmissionsrøntgenmikroskopet på SSRL Beam Line 6-2 er i stand til at afbilde fra 4 til 14 keV, en række egnet til spektroskopisk billeddannelse af mange metaller, der anvendes i batterielektroder og andre materialer.

Med et synsfelt på 30 mikron, kan udvides til millimeter raseri med mosaikbilleder, mikroskopet kan bruges til at opnå enkeltpixel (15-30 nanometer) XANES-spektre, resulterende i cirka en million XANES-spektre pr. energistak. Tilpasning af XANES resulterer i et kemisk fasekort ved 30 nanometer opløsning (se figur 2 for skematisk af teknikken). Fordi denne metode kombinerer høj opløsning med relativt stort synsfelt og dyb hård røntgengennemtrængning af materialer, det kan give 2D og 3D kemisk information over relativt store områder, der er relevante for hierarkiske strukturer, der findes i energimaterialer såsom batterielektroder, brændstofceller, og katalytiske systemer.

Den potentielle virkning af denne teknik er illustreret med undersøgelsen af ​​de ændringer, der finder sted i NiO, mens den cykles i et Li-batteri. NiO betragtes som et alternativt anodemateriale på grund af dets meget høje ladningslagringsevne3. Brugen af ​​XANES mikroskopi til at analysere Li-ion NiO batterielektroder ved forskellige ladningstilstande resulterer i en række billeder, hvor tilstedeværelsen af ​​NiO og Ni, fasen frembragt ved reduktion, kan løses og korreleres med ændringer i morfologi og porøsitet.

Inden for rammerne af energilagring, dette arbejde tilføjer en helt ny dimension til diagnostik af Li-ion batterielektroder, som er enheder af stor teknologisk relevans på grund af deres implementering i elektriske køretøjer. Mere generelt set 3D XANES-mikroskopi er en unik teknik, der kombinerer hidtil uset rum- og energiopløsning med store synsfelter og hurtig optagelse (billeder kan opnås på minutter til få timer), hvis evner og høje gennemløb fører til en overordnet indvirkning på en række forskellige felter som f. forskelligartet som energilagring, arkæologiske genstande, og biomaterialer. Foreløbig arbejde med NiO/Ni-billeddannelse blev offentliggjort i Applied Physics Letters, og 3D XANES-arbejdet om Li-ion-batterielektroder er blevet offentliggjort i Journal of Synchrotron Radiation .