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高能所等應用同步輻射納米分辨譜學成像技術揭示氧化還原反應的相變過程

來源:高能物理研究所 

中國迷信院高能物理研討所多學科中心X射線成像實驗站副研討員袁清習和國際外課題組協作,樹立了基于同步輻射納米分辨譜學成像技術追蹤氧化復原反響相變進程的辦法,并成功使用于鋰離子電池電料相變進程的研討。研討效果近期宣布在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上。

同步輻射譜學成像(XANES imaging)是應用特定元素對X射線能量的不同呼應特性來取得樣品外部對應元素的化學價態三維散布。基于波帶片全場成像辦法的納米分辨譜學成像技術可以取得地面間分辨的形貌和化學信息,近年來遭到了越來越多的注重,在資料迷信范疇尤其是在動力資料范疇的研討中表現出重要潛力。

針對納米分辨譜學成像辦法學和使用研討,高能所多學科中心X射線成像實驗站近年來展開了少量的任務。其中,袁清習和國際外多個同步輻射安裝樹立嚴密聯絡,在技術研發、科研使用等方面展開了普遍的協作。近期,袁清習結合美國斯坦福同步輻射光源研討員劉宜晉課題組、弗吉尼亞理工大學教授林鋒課題組提出了使用同步輻射納米分辨譜學成像技術研討氧化復原反響的不平均相變進程的新辦法。這個結合團隊成功將他們提出的新辦法使用于Li(NixMnyCoz)O2 (NMC) 三元正極資料的研討中,提醒了該資料熱波動性的一系列成績。該項任務宣布于Nature Communications 9, 2810,2018,共同第一作者為弗吉尼亞理工大學博士穆林沁和高能所袁清習。

以NMC正極資料中的使用為實例,該實驗辦法的任務流程如下:首先,為了研討該資料體系在不同溫度下的行為,展開原位實驗,應用譜學成像取得少量空間分辨的吸收譜數據;其次,提取Ni元素K邊吸收能量表示相應的化學形態,高能量代表低價態(絕對氧化態),低能量代表低價態(絕對復原態)。進而使用樣品在不同溫度條件下的化學價態散布后果來表征氧化復原相變進程;第三,選擇特定的Ni元素價態(例如激光焊接機價格,選擇氧化復原反響最猛烈的能量點代表的價態),應用所采集的少量數據來描畫Ni元素等價態面的三維散布,比照不同反響條件下的等價態面散布來表征相變的發作、開展及相變前沿的推進進程;最后,引入等價面局域曲率(反響界面局域曲率)的概念,來描畫成核生長及整個相變的復雜進程。

圖1為Ni的價態隨NMC資料加熱進程的變化,其中的每一條曲線代表了相應條件下基于全部像素的Ni價態的散布狀況,可以看出化學反響從開端到完畢全進程Ni元素價態散布的演化狀況。圖2給出了四個特定反響條件下Ni等價態面的發作、開展進程,所選擇的Ni價態為8341eV對應的價態。從圖1可以看出,8341eV代表的價態可以代表是化學反響最猛烈狀況。圖3中用不同顏色表示了鎳元素的吸收邊能量代表的鎳元素的價態。受由晶粒邊界和其局域的化學環境(不同組分和缺陷)所影響,相變進程通常十分復雜,如圖3a所示,鎳陽鐳射離子三維的形貌由不同的價態組成,從絕對復原態(低能量態)到絕對氧化形態(高能量態)。這些三維的價態推進前端提供了一個直觀的三維平面多面體。復原態和氧化態辨別代表了子相和母相,相變反響的推移前端從圖3a到圖3c。同時,作者將這些三維多面體每個局域的曲率計算出來,并辨別用白色和藍色代表局域曲率為正值和負值。從圖3d、e可以看出相變進程中局域價態曲率的演化進程。

這項任務不只對鋰離子電極資料的熱波動性和熱致相變給出了詳細的描繪,還為下一步的儲能資料優化提供了一些思路。研討任務所使用的辦法可以推廣到愈加寬廣的研討范疇,尤其是復雜體系的非平均相變進程等的研討中。特別是思索到下一代同步輻射光源的開展,更高的亮度將會大大降低實驗的時間,從而可以更好地捕獲到相變進程中的非波動形態,為動力資料、環境迷信等研討范疇提供無力的工具。


圖1 NMC樣品中鎳元素的價態隨加熱進程的變化。(a)為鎳元素的局域價態直方圖。(b-e)為原位觀測鎳價態信息示意圖。鎳的價態由Ni 的K吸收邊能量表示,高能量和低能量辨別代表了低價態和低價態。


圖2 NMC樣品不同反響條件下Ni等價態面的發生、開展及推進進程


圖3 部分鎳元素價態曲率隨相轉變的演化。(a,b,c)辨別代表了不同能量(8339, 8340 和8341 eV)的Ni K-edge的等值面構成的三維曲面。圖d和e表示了在不同能量范圍內價態曲率隨著能量值的變化。

來源:高能物理研討所

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