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Khalil Amine/陸俊ACS Energy Lett.: 同步輻射對鋰硫電池硫正極的影響

雖然鋰硫電池正極的開發(fā)從原位/非原位X射線吸收研究中受益匪淺，但尚未研究同步輻射的不良影響程度。

在此，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陸俊研究員、Khalil Amine研究員等人提供了在鋰硫電池系統(tǒng)中進(jìn)行X射線吸收光譜（XAS）研究時由同步輻射引起的大量束效應(yīng)的證據(jù)，使用相對快速（低劑量）的X射線熒光映射（XRF）來監(jiān)測硫隨時間的分布。在整個圖的一小部分空間的XRF圖之間插入更長的曝光（即2分鐘）XAS采樣步驟，以獲得有和沒有XAS引起的損傷的樣本點(diǎn)的對比。

基于X射線照射時間和能量觀察到樣品形態(tài)發(fā)生了顯著變化，這對于研究鋰硫電池至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，固體硫顆粒迅速消失并轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅苛蛐盘栐?，這些信號云在沒有任何感應(yīng)電流的情況下遷移出高曝光區(qū)域，而電池的測量電位無法檢測到這一點(diǎn)。

圖1. 用于實(shí)驗(yàn)的原位扣式電池示意圖及區(qū)域定位

具體而言，典型硫正極內(nèi)的硫材料會發(fā)生嚴(yán)重的光束損壞。很明顯，7.7 keV的X射線束對硫的形態(tài)有很大影響，還可能在采樣區(qū)域內(nèi)引起某種形式的向外對流力，使硫信號的濃度變暗并最終引入多硫化物傳質(zhì)產(chǎn)物。

這些發(fā)現(xiàn)表明，在沒有先進(jìn)行采樣時間優(yōu)化研究的情況下，XAS可能不適用于鋰硫電池的研究。未來在嘗試使用能量< 7.7 keV、通量> 6×10¹²光子/秒的同步輻射對鋰硫電池進(jìn)行原位研究時，首先應(yīng)努力獲得不變/穩(wěn)定的開路基線。

圖2. 采樣面積內(nèi)硫正極隨時間變化的熒光映射

Evidence of Morphological Change in Sulfur Cathodes upon Irradiation by Synchrotron X-rays, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02531

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