Configuración TXM. Los rayos X monocromáticos se enfocan en la muestra usando un condensador capilar. La etapa de muestra es capaz de traslación de tres ejes, y rotación para tomografía. Para la obtención de imágenes XANES, la distancia focal de la lente del objetivo de la placa de zona varía en el rango de energía investigado. Las imágenes se capturan utilizando un sistema de dispositivo de carga acoplada (CCD) de alta resolución. Crédito:Nelson et al. 2011
Las preocupaciones sobre la disponibilidad limitada de petróleo y el efecto de los gases de efecto invernadero en el clima han estimulado intensos esfuerzos para desarrollar vehículos de propulsión eléctrica; la principal barrera para una comercialización exitosa es la tecnología de baterías. Aunque las baterías de iones de litio, crucial en el auge de la electrónica portátil, destacarse como la tecnología preferida en los modelos que se comercializarán próximamente, nuevas mejoras en su densidad energética, costo, La vida útil y la seguridad siguen siendo necesarias.
Observación del movimiento de los frentes de transición de fase química y cambios en la estructura de los poros del electrodo, que permite la humectación efectiva de las partículas por el electrolito y el transporte de iones de litio, podría dirigir nuevas estrategias para el diseño de dispositivos de alta densidad de energía de próxima generación. Por eso, monitorear los cambios en los electrodos durante el funcionamiento de la batería (es decir, inserción / extracción de iones de Li) requiere imágenes de cambios morfológicos y químicos. La microscopía XANES promete añadir una nueva dimensión, Visualización química y arquitectónica a nanoescala 3D, al diagnóstico de electrodos de baterías de iones de litio.
Este trabajo describe dos publicaciones recientes en las que la absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES) microscopía, una técnica revolucionaria basada en la combinación de microscopía de rayos X de transmisión de campo completo (TXM; ver Figura 1) con XANES, se utilizó para obtener nanotomografía en materiales encontrados en electrodos de baterías de iones de litio (Nelson et al. 2011) y en los propios electrodos de batería (Meirer et al. 2011). El microscopio de rayos X de transmisión de campo completo en SSRL Beam Line 6-2 es capaz de obtener imágenes de 4 a 14 keV, una gama adecuada para la obtención de imágenes espectroscópicas de muchos metales utilizados en electrodos de batería y otros materiales.
Con un campo de visión de 30 micrones, ampliable a la furia milimétrica con imágenes de mosaico, el microscopio se puede utilizar para obtener espectros XANES de un solo píxel (15-30 nanómetros), resultando en aproximadamente un millón de espectros XANES por pila de energía. El ajuste del XANES da como resultado un mapa de fase química con una resolución de 30 nanómetros (consulte la Figura 2 para ver el esquema de la técnica). Debido a que este método combina una alta resolución con un campo de visión relativamente grande y una penetración profunda de rayos X de los materiales, Puede proporcionar información química 2D y 3D sobre áreas relativamente grandes relevantes para las estructuras jerárquicas que se encuentran en los materiales energéticos, como los electrodos de las baterías. celdas de combustible, y sistemas catalíticos.
Principios de procesamiento de datos para microscopía 3D XANES. (1) Se adquiere una imagen en contraste de absorción en cada energía en el escaneo XANES. (2) Los XANES se construyen a partir de cada píxel que representa la absorción normalizada frente a la energía. (3) XANES de cada píxel se ajusta para crear un mapa de fase química. (4) Se genera un mapa de fase en cada ángulo en la exploración tomográfica. (5) El conjunto de mapas de fase se utiliza para la reconstrucción tomográfica para recuperar la especiación química 3D. Crédito:Meirer et al. 2011
El impacto potencial de esta técnica se ilustra con el estudio de los cambios que tienen lugar en NiO mientras se cicla en una batería de Li. El NiO se considera un material de ánodo alternativo debido a su muy alta capacidad de almacenamiento de carga3. El uso de microscopía XANES para analizar electrodos de baterías Li-ion NiO en diferentes estados de carga da como resultado una serie de imágenes en las que la presencia de NiO y Ni, la fase producida al reducirse, puede resolverse y correlacionarse con cambios en la morfología y la porosidad.
En el marco del almacenamiento de energía, este trabajo agrega una dimensión completamente nueva al diagnóstico de los electrodos de baterías de iones de litio, que son dispositivos de gran relevancia tecnológica por su implementación en vehículos de propulsión eléctrica. Hablando de manera más general, La microscopía 3D XANES es una técnica única que combina una resolución espacial y energética sin precedentes con grandes campos de visión y una rápida adquisición (las imágenes se pueden obtener en minutos a unas pocas horas) cuyas capacidades y alto rendimiento conducen a un impacto global en una variedad de campos como diverso como almacenamiento de energía, objetos arqueológicos, y biomateriales. El trabajo preliminar sobre imágenes de NiO / Ni se publicó en Applied Physics Letters y el trabajo de 3D XANES sobre electrodos de baterías de iones de litio se publicó en la Diario de radiación de sincrotrón .
