Configuration TXM. Les rayons X monochromatiques sont focalisés sur l'échantillon à l'aide d'un condenseur capillaire. La platine de l'échantillon est capable de translation sur trois axes, et rotation pour la tomographie. Pour l'imagerie XANES, la distance focale de la lentille d'objectif à plaque de zone varie sur la plage d'énergie étudiée. Les images sont capturées à l'aide d'un système de dispositif à couplage de charge (CCD) haute résolution. Crédit :Nelson et al. 2011
Les inquiétudes concernant la disponibilité limitée du pétrole et l'effet des gaz à effet de serre sur le climat ont stimulé des efforts intenses pour développer des véhicules électriques; le principal obstacle à une commercialisation réussie étant la technologie des batteries. Bien que les batteries Li-ion, crucial dans l'essor de l'électronique portable, se positionner comme la technologie de choix dans les modèles qui seront bientôt commercialisés, des améliorations supplémentaires de leur densité énergétique, Coût, la durée de vie et la sécurité sont toujours nécessaires.
Observation du mouvement des fronts de transition de phase chimique et des modifications de la structure des pores de l'électrode, qui permet un mouillage efficace des particules par l'électrolyte et le transport des ions lithium, pourrait orienter de nouvelles stratégies pour la conception de dispositifs à haute densité énergétique de prochaine génération. D'où, surveiller les changements dans les électrodes pendant le fonctionnement de la batterie (c'est-à-dire, insertion/extraction d'ions Li) nécessite l'imagerie des changements morphologiques ainsi que chimiques. La microscopie XANES promet d'ajouter une nouvelle dimension, Visualisation chimique et architecturale à l'échelle nanométrique en 3D, au diagnostic des électrodes des batteries Li-ion.
Ce travail décrit deux publications récentes dans lesquelles la microscopie XANES (Absorption Near Edge Structure), une technique révolutionnaire basée sur la combinaison de la microscopie à rayons X à transmission plein champ (TXM; voir Figure 1) avec XANES, a été utilisé pour obtenir une nanotomographie sur les matériaux trouvés dans les électrodes de batterie Li-ion (Nelson et al. 2011) et sur les électrodes de batterie elles-mêmes (Meirer et al. 2011). Le microscope à rayons X à transmission plein champ sur la ligne de faisceau SSRL 6-2 est capable d'imager de 4 à 14 keV, une gamme adaptée à l'imagerie spectroscopique de nombreux métaux utilisés dans les électrodes de batterie et d'autres matériaux.
Avec un champ de vision de 30 microns, extensible au millimètre avec imagerie en mosaïque, le microscope permet d'obtenir des spectres XANES monopixel (15-30 nanomètres), résultant en environ un million de spectres XANES par pile d'énergie. L'ajustement des résultats XANES dans une carte de phase chimique à une résolution de 30 nanomètres (voir la figure 2 pour le schéma de la technique). Parce que cette méthode combine une haute résolution avec un champ de vision relativement large et une pénétration profonde des rayons X durs des matériaux, il peut fournir des informations chimiques 2D et 3D sur des zones relativement vastes pertinentes pour les structures hiérarchiques trouvées dans les matériaux énergétiques tels que les électrodes de batterie, réservoirs de carburant, et les systèmes catalytiques.
Principes de traitement des données pour la microscopie 3D XANES. (1) Une image est acquise en contraste d'absorption à chaque énergie du scan XANES. (2) XANES sont construits à partir de chaque pixel traçant l'absorption normalisée en fonction de l'énergie. (3) XANES de chaque pixel est adapté pour créer une carte de phase chimique. (4) Une carte de phase est générée à chaque angle du balayage tomographique. (5) L'ensemble de cartes de phase est utilisé pour la reconstruction tomographique afin de récupérer la spéciation chimique 3D. Crédit :Meirer et al. 2011
L'impact potentiel de cette technique est illustré par l'étude des changements ayant lieu dans NiO lors d'un cycle dans une batterie Li. NiO est considéré comme un matériau d'anode alternatif en raison de sa capacité de stockage de charge très élevée3. L'utilisation de la microscopie XANES pour analyser les électrodes des batteries Li-ion NiO à différents états de charge permet d'obtenir une série d'images dans lesquelles la présence de NiO et Ni, la phase produite lors de la réduction, peuvent être résolus et corrélés avec des changements de morphologie et de porosité.
Dans le cadre du stockage d'énergie, ce travail ajoute une toute nouvelle dimension au diagnostic des électrodes des batteries Li-ion, qui sont des dispositifs d'une grande pertinence technologique en raison de leur mise en œuvre dans les véhicules à propulsion électrique. Plus généralement, La microscopie 3D XANES est une technique unique qui combine une résolution spatiale et énergétique sans précédent avec de grands champs de vision et une acquisition rapide (les images peuvent être obtenues en quelques minutes à quelques heures) dont les capacités et le débit élevé conduisent à un impact global dans une variété de domaines comme divers comme le stockage d'énergie, objets archéologiques, et biomatériaux. Des travaux préliminaires sur l'imagerie NiO/Ni ont été publiés dans Applied Physics Letters et les travaux 3D XANES sur les électrodes de batteries Li-ion ont été publiés dans le Journal du rayonnement synchrotron .
