Monitoring Redox Processes in Lithium-Ion Batteries by Laboratory-Scale Operando X-ray Emission Spectroscopy
Monitoring Redox Processes in Lithium-Ion Batteries by Laboratory-Scale Operando X-ray Emission Spectroscopy
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通过实验室规模的操作 X 射线发射光谱监测锂离子电池的氧化还原过程
DOI：
10.1021/acsami.3c18424
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发表时间：
2024
影响因子：
9.5
通讯作者：
Alamgir, Faisal M.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Krishnan, Abiram;Lee, Dong-Chan;Slagle, Ian;Ahsan, Sumaiyatul;Mitra, Samantha;Read, Ethan;Alamgir, Faisal M.
跟踪碱离子电池中过渡金属化学状态的变化对于了解运行过程中的氧化还原化学至关重要。 X 射线吸收光谱 (XAS) 通常用于通过观察化学状态和局部原子结构随电池充电状态 (SoC) 的变化来跟踪化学反应。在这项研究中，我们利用原位X射线发射光谱（XES）方法来观察电池在运行过程中活性元素化学状态的变化。 Operando XES 和 XAS 通过使用四种不同电池系统的实验室规模设置进行比较：LiCoO2(LCO)、Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2(NMC111)、Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(NMC811) 和 LiFePO4(LFP)，在 10 小时内对电池进行恒流充电（C/10 充电速率）。我们表明，尽管 XES 的化学位移比 XAS 更窄，但它使我们能够实时识别电池 SOC。我们进一步证明，XES 可用于通过分析发射峰形状的变化来跟踪被探测原子的净自旋变化。作为测试案例，在电化学脱锂 LCO 脱锂率在 2-10% 范围内时，使用 XES 和 XAS 研究了净自旋与局部化学和结构环境之间的联系。
Tracking changes in the chemical state of transition metals in alkali-ion batteries is crucial to understanding the redox chemistry during operation. X-ray absorption spectroscopy (XAS) is often used to follow the chemistry through observed changes in the chemical state and local atomic structure as a function of the state-of-charge (SoC) in batteries. In this study, we utilize an operando X-ray emission spectroscopy (XES) method to observe changes in the chemical state of active elements in batteries during operation. Operando XES and XAS were compared by using a laboratory-scale setup for four different battery systems: LiCoO2(LCO), Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2(NMC111), Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2(NMC811), and LiFePO4(LFP) under a constant current charging the battery in 10 h (C/10 charge rate). We show that XES, despite narrower chemical shifts in comparison to XAS, allows us to fingerprint the battery SOC in real time. We further demonstrate that XES can be used to track the change in net spin of the probed atoms by analyzing changes in the emission peak shape. As a test case, the connection between net spin and the local chemical and structural environment was investigated by using XES and XAS in the case of electrochemically delithiated LCO in the range of 2–10% lithium removal.
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