Configurazione TXM. I raggi X monocromatici vengono focalizzati sul campione utilizzando un condensatore capillare. Il tavolino campione è in grado di traslare su tre assi, e rotazione per tomografia. Per l'imaging XANES, la lunghezza focale della lente dell'obiettivo zoneplate varia nell'intervallo di energia indagato. Le immagini vengono acquisite utilizzando un sistema CCD (charge-coupled device) ad alta risoluzione. Credito:Nelson et al. 2011
Le preoccupazioni per la disponibilità limitata di petrolio e l'effetto dei gas serra sul clima hanno stimolato intensi sforzi per sviluppare veicoli a propulsione elettrica; il principale ostacolo alla commercializzazione di successo è la tecnologia delle batterie. Sebbene le batterie agli ioni di litio, cruciale nel boom dell'elettronica portatile, essere la tecnologia preferita nei modelli di prossima commercializzazione, ulteriori miglioramenti nella loro densità energetica, costo, la vita del ciclo e la sicurezza sono ancora necessarie.
Osservazione del movimento dei fronti di transizione di fase chimica e delle modifiche alla struttura dei pori dell'elettrodo, che consente un'efficace bagnatura delle particelle da parte dell'elettrolita e il trasporto di ioni di litio, potrebbe indirizzare nuove strategie per la progettazione di dispositivi ad alta densità di energia di prossima generazione. Quindi, monitoraggio delle variazioni degli elettrodi durante il funzionamento a batteria (ad es. inserimento/estrazione di ioni Li) richiede l'imaging dei cambiamenti morfologici e chimici. La microscopia XANES mantiene la promessa di aggiungere una nuova dimensione, Visualizzazione chimica e architettonica su nanoscala 3D, alla diagnostica degli elettrodi della batteria agli ioni di litio.
Questo lavoro descrive due pubblicazioni recenti in cui la microscopia XANES (Absorbtion Near Edge Structure) dei raggi X, una tecnica rivoluzionaria basata sulla combinazione della microscopia a raggi X a trasmissione a pieno campo (TXM; vedi Figura 1) con XANES, è stato utilizzato per ottenere la nanotomografia su materiali trovati negli elettrodi della batteria agli ioni di litio (Nelson et al. 2011) e sugli stessi elettrodi della batteria (Meirer et al. 2011). Il microscopio a raggi X a trasmissione a pieno campo su SSRL Beam Line 6-2 è in grado di eseguire immagini da 4 a 14 keV, una gamma adatta per l'imaging spettroscopico di molti metalli utilizzati negli elettrodi delle batterie e in altri materiali.
Con un campo visivo di 30 micron, estendibile al millimetro con l'imaging a mosaico, il microscopio può essere utilizzato per ottenere spettri XANES a pixel singolo (15-30 nanometri), risultando in circa un milione di spettri XANES per stack di energia. L'adattamento dei risultati XANES in una mappa della fase chimica con una risoluzione di 30 nanometri (vedi Figura 2 per lo schema della tecnica). Poiché questo metodo combina l'alta risoluzione con un campo visivo relativamente ampio e una profonda penetrazione dei raggi X duri nei materiali, può fornire informazioni chimiche 2D e 3D su aree relativamente grandi relative alle strutture gerarchiche presenti nei materiali energetici come gli elettrodi delle batterie, celle a combustibile, e sistemi catalitici.
Principi di elaborazione dati per microscopia 3D XANES. (1) Viene acquisita un'immagine in contrasto di assorbimento ad ogni energia nella scansione XANES. (2) Gli XANES sono costruiti da ciascun pixel che traccia l'assorbimento normalizzato rispetto all'energia. (3) XANES da ogni pixel è adatto per creare una mappa della fase chimica. (4) Viene generata una mappa di fase ad ogni angolo della scansione tomografica. (5) L'insieme delle mappe di fase viene utilizzato per la ricostruzione tomografica per recuperare la speciazione chimica 3D. Credito:Meirer et al. 2011
Il potenziale impatto di questa tecnica è illustrato con lo studio dei cambiamenti che si verificano in NiO durante il ciclo in una batteria al litio. NiO è considerato un materiale anodico alternativo a causa della sua capacità di immagazzinamento di carica molto elevata3. L'uso della microscopia XANES per analizzare gli elettrodi della batteria agli ioni di litio NiO in diversi stati di carica si traduce in una serie di immagini in cui la presenza di NiO e Ni, la fase prodotta alla riduzione, possono essere risolti e correlati con cambiamenti di morfologia e porosità.
Nell'ambito dello stoccaggio di energia, questo lavoro aggiunge una dimensione completamente nuova alla diagnostica degli elettrodi delle batterie agli ioni di litio, che sono dispositivi di grande rilevanza tecnologica per la loro implementazione nei veicoli a trazione elettrica. Più in generale, La microscopia 3D XANES è una tecnica unica che combina una risoluzione spaziale ed energetica senza precedenti con ampi campi visivi e acquisizione rapida (le immagini possono essere ottenute in pochi minuti o poche ore) le cui capacità e l'elevata produttività portano a un impatto globale in una varietà di campi come diversi come lo stoccaggio di energia, oggetti archeologici, e biomateriali. Il lavoro preliminare sull'imaging NiO/Ni è stato pubblicato in Applied Physics Letters e il lavoro 3D XANES sugli elettrodi delle batterie agli ioni di litio è stato pubblicato nel Journal of Synchrotron Radiation .
