Karakterizacija baterij litij-žveplo z rentgensko emisijsko spektroskopijo

Rajh, Ava (avtor), Kavčič, Matjaž (mentor)

V magistrski nalogi smo z uporabo rentgenske emisijske spektroskopije karakterizirali potek redukcije žvepla med praznjenjem baterije litij-žveplo. Izmerili smo emisijske spektre K$\alpha$ in K$\beta$ na standardnih vzorcih žveplovih polisulfidov in statičnih katodah baterije ustavljene v procesu praznjenja. Emisijo smo vzbujali s curkom protonov z energijo v območju MeV. Sevalne spektre smo posneli z Braggovim spektrometrom s prilagojeno Johanssonovo geometrijo, ki je namenjen uporabi v območju nežne rentgenske svetlobe (2-6 keV). Eksperimentalna resolucija je bila reda naravne širine vzbujenega stanja žvepla z vrzeljo v notranji lupini. Oblika sevalnih spektrov K$\alpha$ ni odvisna od kemijske okolice atoma, opazimo pa majhen energijski premik v odvisnosti od povprečnega oksidacijskega stanja žveplovih atomov v vzorcu. Kemijska občutljivost je še bolj izrazita v spektrih K$\beta$, ki ustrezajo prehodom iz valenčnih stanj in direktno odražajo valenčno elektronsko zgradbo. Za kvalitativni opis sprememb v elektronski konfiguraciji smo izvedli izračune osnovnih stanj s pomočjo teorije gostotnih funkcionalov (DFT). Potrdili smo linearno odvisnost energijskega premika emisijskega spektra K$\alpha$ od povprečnega oksidacijskega števila na žveplovem atomu. V meritvah operando smo jo nato uporabili za določitev oksidacijskega stanja baterije med procesom praznjenja.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: Rentgenska spektroskopija, XES, PIXE, baterija litij-žveplo, Braggov kristalni spektrometer, teorija gostotnih funkcionalov
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
• Leto izida: 2020
• PID: 20.500.12556/RUL-119735
• COBISS.SI-ID: 27971075
• Datum objave v RUL: 11.09.2020

RAJH, Ava, 2020, Karakterizacija baterij litij-žveplo z rentgensko emisijsko spektroskopijo [na spletu]. Magistrsko delo. [Dostopano 18 maj 2025]. Pridobljeno s: https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?lang=slv&id=119735

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Characterization of sulphur in lithium-sulphur batteries with X-rayemission spectroscopy

Izvleček

In my masters thesis, x-ray emission spectroscopy was used to characterise sulphur reduction in lithium-ion batteries during discharge. K$\alpha$ and K$\beta$ emission spectra were measured in a standard polysulfide sample and on a static cathode from a battery, stopped at different points during discharge. X-ray emission was induced by a proton beam with energies in a MeV range. Emission spectra were recorded with a Bragg crystal spectrometer with modified Johansson focusing geometry, designed for experiments in tender x-ray range (2-6keV). Experimental energy resolution was comparable to the natural lifetime broadening of the sulphur K emission line. The shape of K$\alpha$ emission spectra does not depend on the chemical environment of the atom, but a small energy shift was observed for samples with different average oxidation numbers. Chemical sensitivity is more pronounced in the K$\beta$ emission spectra corresponding to transitions from valence states and directly reflects valence electronic structure. For a qualitative description of the changes in the electron configuration, density functional theory (DFT) was used to calculate ground states of sulphur molecules. We confirmed a linear dependence of the energy shift of K$\alpha$ emission spectra on the average oxidation state of the sulphur atoms. We applied the linear correlation to the in-operando measurements, to calculate the average oxidation state of sulphur in a lithium-sulphur battery during a discharge.

• Ključne besede: X-ray spectroscopy, XES, PIXE, lithium-sulphur battery, Bragg crystal spectrometer, density functional theory