الكشف عن عنصري المراعية لمادة الكيمياء في البطاريات عن طريق التحليل الطيفي امتصاص الأشعة السينية اللينة، وتبعثر الأشعة السينية غير مرن رنانة

تطوير بطاريات عالية الأداء أحد الشروط الحاسمة لتحقيق تطبيقات الطاقة الحديثة مع الموارد غير ضارة بيئياً والأجهزة. تطوير أجهزة تخزين الطاقة ذات الكفاءة العالية والمنخفضة التكلفة، والمستدامة أصبحت حاسمة بالنسبة للسيارات الكهربائية (EVs) والشبكة الكهربائية، مع توسيع سوق تخزين الطاقة المسقطة عشر مرات في هذا العقد. التكنولوجيا (LIB) بطارية ليثيوم أيون في كل مكان لا يزال مرشح واعدة لكثافة الطاقة عالية وقوة عالية الطاقة التخزين حلول¹، بينما بطاريات أيون Na (SIBs) وتبشر تحقيق التخزين منخفضة ومستقرة للشبكة الخضراء- ²من التطبيقات. ومع ذلك، المستوى العام للتكنولوجيا البطارية أقل بكثير ما مطلوب لتلبية الحاجة لهذه المرحلة الجديدة من منتصف إلى واسعة النطاق الطاقة تخزين^1،3.

ينشأ التحدي الملح لتطوير نظام تخزين الطاقة عالية الأداء من الخصائص الميكانيكية والإلكترونية المعقدة لعمليات البطارية. تركزت جهود واسعة النطاق في تجميع المواد وخواصها الميكانيكية. تطور الدول الكيميائية لعناصر معينة في أقطاب البطارية غير غالباً تحت النقاش النشط للمواد المطورة حديثا البطارية. بشكل عام، تعمل النقابة و SIBs مع تطور الدول الإلكترونية الناجمة عن نقل الإلكترونات والايونات أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى الأكسدة والحد من تفاعلات (الأكسدة والاختزال) لعنصر محدد. كعنق الزجاجة للعديد من معايير الأداء، دفعت الزركونيم البطارية الكثير من الاهتمام في البحوث والتطورات^4،5. مادة كاثود بطارية عملية غالباً أكسيد (TM) معادن انتقالية 3d قنوات هيكلية خاصة لنشر أيون. تقليديا، ورد فعل الأكسدة يقتصر على عناصر الخرائط المواضيعية؛ بيد أن النتائج الأخيرة تشير إلى أن الأوكسجين ربما يمكن أن تستخدم في ركوب الكهروكيميائية عكسها⁶. إليه الأكسدة واحدة من أهم قطعة من المعلومات لفهم عملية الكهروكيميائية، ومرغوب فيه للغاية وبالتالي تحقيق مباشرة الدول الكيميائية من أقطاب البطارية مع مراعاة عنصري.

مطيافية الأشعة السينية على أساس السنكروتروني، لينة هو تقنية متقدمة تقوم بالكشف عن الدول إلكترون التكافؤ محيط مستوى فيرمي في البطارية المواد⁷. بسبب حساسية عالية للأشعة السينية اللينة يمكن أن تستخدم الفوتونات للإلكترونات لعنصر معين والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المداري، لينة كتحقيق مباشرة الدول إلكترون الحرجة في أقطاب البطارية⁸، أو في الواجهات في البطاريات ⁹-وعلاوة على ذلك، بالمقارنة مع الثابت بالأشعة السينية، الأشعة السينية اللينة أقل في الجسيمات الطاقة وتغطي العناصر منخفضة-Z، مثلاً، ج، ن، س، ومن ف 2–إلى–الإثارة3d في 3d TMs¹⁰.

أولاً تشمل الجسيمات مطيافية الأشعة السينية اللينة انتقالات الإلكترون من دولة أساسية معينة إلى حالة غير مأهولة بامتصاص الطاقة من لينة الأشعة السينية الفوتونات. وهكذا يناظر كثافة لمثل هذا التحليل الطيفي امتصاص الأشعة السينية اللينة كثافة الدولة (DOS) الدول غير مأهولة (التوصيل-باند) مع وجود متحمس الأساسية-الثقوب. ويمكن قياس معامل امتصاص الأشعة السينية عن طريق الكشف عن العدد الإجمالي للفوتونات أو الإلكترونات المنبعثة أثناء عملية الاضمحلال. إلكترون إجمالي العائد (تي) حساب العدد الكلي للإلكترونات المنبعثة، وهكذا فهو وضع كشف (بو) فوتون-إلكترون-مغادرة. TEY قد عمق ضحل مسبار نانومتر عدة، وعليه فتراعي السطحية نسبيا، بسبب عمق ضحل الهروب من الإلكترونات. ومع ذلك، كطريقة الكشف عن فوتون-فوتون-مغادرة (PIPO)، تدابير fluorescence إجمالي العائد (طفى) العدد الإجمالي للفوتونات المنبعثة في عملية سكساس. عمق التحقيق حول مئات نانومتر، وهو أعمق من أن تي. نظراً إلى اختلاف في أعماق المسبار، التناقض بين تي وطفى يمكن أن توفر معلومات هامة لمقارنة بين المياه السطحية والجزء الأكبر من هذه المواد.

سكسيس أسلوب PIPO، المقابلة لانحلال الدولة خرجت لملء الحفرة الأساسية، مما يؤدي إلى انبعاث الأشعة السينية الفوتونات في الطاقات المميزة. إذا كان الإلكترون الأساسية هو متحمس للدولة إلكترون التواصل بعيداً من عتبة سكساس، أنها تعكس الأشعة سينية غير مدوية fluorescence عملية المقابلة لانحلال الإلكترونات المحتلة (التكافؤ-باند) الثقوب الأساسية، أي، سكسيس دوس الدول التكافؤ-الفرقة. خلاف ذلك، إذا هو متحمس الإلكترون الأساسية تنقل بالضبط على عتبة الاستيعاب، تتميز أطياف الانبعاثات الناتجة عن الاعتماد على الطاقة الإثارة قوية. لهذه الحالة، تتم الإشارة إلى تجارب التحليل الطيفي بالأشعة غير مرن رنانة نثر (ريكسس).

لأنه سكساس وسكسيس يتوافق مع غير مأهولة (التوصيل-باند) والدول المحتلة (التكافؤ-باند) الإلكترون، على التوالي، أنها تقدم معلومات تكميلية عن إلكترون الدول المشاركة في التفاعلات الأكسدة والحد في البطارية كهربائي عند العملية الكهروكيميائية¹¹. لعناصر من الألف إلى الياء منخفضة، سكساس ج^12،13،¹⁴من N، وس^15،16،17، وبخاصة تستخدم على نطاق واسع لدراسة الدول إلكترون الحرجة تقابل كلا الإلكترون نقل^12،13 والتراكيب الكيميائية^15،،من¹⁶¹⁷. ل 3d TMs، سكساس ل TM-الحواف بنجاح ثبت أن إجراء تحقيق فعال لتفاعلات الأكسدة والاختزال TM الخامس¹⁸، مينيسوتا^19،،من^2021،22، Fe^23،24،،من²⁵²⁶،^20،Co²⁷، ²³وني^20،28. نظراً للميزات سكساس TM-L يهيمن عليها أثر مولتيبليت محددة تحديداً جيدا، وحساسة إلى مختلف TM أكسدة^18،19،،من^{2021،22 ،،}من^2425،26،،من²⁷²⁸ وتدور الدول^14،29، يمكن تمكين البيانات سكساس TM حتى الكمية تحليل للأزواج TM الأكسدة والاختزال في أقطاب LIB ونظارة المصارف²⁷.

بالمقارنة مع توظيف شعبية سكساس للدراسات المادية البطارية، هو أقل كثيرا ما تستخدم ريكسس نظراً لتعقد كل من تجارب وتفسير البيانات للحصول على معلومات مفيدة تتعلق ب أداء البطارية¹⁰. ومع ذلك، سبب انتقائية ريكسس الكيميائية-الدولة مرتفعة للغاية، ريكسس يحتمل أن تحقيق أكثر حساسية لتطور الدولة الكيميائية في المواد البطارية مع مراعاة عنصري المتأصلة. قد عرضت سكسيس الأخيرة والتقارير ريكسس جياشاندران et al.، حساسية عالية من ريكسس إلى التكوينات الكيميائية المحددة في أنظمة أيون-المذيب يتجاوز^30،سكساس³¹. مع آخر التطورات السريعة ذات الكفاءة العالية ريكسس أنظمة^32،،من³³³⁴، ريكسس بسرعة تحول من أداة فيزياء أساسية لتقنية قوية للبحوث البطارية، وأحيانا يصبح أداة-من-الاختيار لإجراء دراسات محددة لتطور كل من الأيونات الموجبة وشاردة في المجمعات البطارية.

وقدم في هذا العمل، وبروتوكولات مفصلة من أجل سكساس سكسيس وتجارب ريكسس. نحن تغطي تفاصيل التخطيط التجريبية، والإجراءات التقنية لإجراء تجارب، والأهم من ذلك، معالجة البيانات لمختلف التقنيات الطيفية. علاوة على ذلك، ترد ثلاثة نتائج الممثل في دراسات المواد البطارية تثبت تطبيقات تقنيات التحليل الطيفي بالأشعة السينية هذه ثلاثة لينة. ونلاحظ أن التفاصيل التقنية لهذه التجارب يمكن أن تكون مختلفة في محطات نهاية مختلفة و/أو مرافق. بالإضافة إلى ذلك، قد التجارب في الموقع و خارج الموقع إجراءات الإعداد مختلفة جداً في التعامل مع العينة بسبب المتطلبات الصارمة لفراغ فائقة ل التحليل الطيفي بالأشعة السينية اللينة³⁵. ولكن البروتوكول هنا يمثل الإجراء النموذجي، ويمكن أن يكون مرجعاً مشتركاً لتجارب التحليل الطيفي بالأشعة السينية اللينة في مختلف النظم التجريبية في مرافق مختلفة.