Development and improvement of x-ray spectroscopic techniques for ionic liquids

Abstract

"Wasser-in-Salz"-Lösungen (Hydrate melts) gehören zu den ionischen Flüssigkeiten und sind als solche vielversprechende Elektrolyten für wasserhaltige Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch hohe Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit auszeichnen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde am Super Photon Ring - 8 GeV (SPring-8) in Japan die Struktur von einem Lithium-Salz Hydrate melt (LSHM) an der Beamline BL07LSU für weiche Röntgenspektroskopie untersucht. Um einen Zusammenhang zwischen den so erhaltenden Absorptionsund Emissionsspektren und der Struktur des LSHM herzustellen, wurden zusätzlich zum Experiment Simulationen der Molekulardynamik durchgeführt. Darauf aufbauend wurden in dieser Simulation elementare Strukturen identifiziert, und mithilfe einer DFT-Software die Emissionsspektren dieser Strukturen theoretisch berechnet. Der Vergleich zwischen experimentellem und theoretischem Spektrum gibt einen Eindruck von den Bindungen zwischen Lithium, Wasser, und den anderen Moleukülen im Hydrate melt und eine Erklärung für die Fortbewegung von Lithium im LSHM. Zur Verbesserung der experimentellen Möglichkeiten wurden weiters Ray-Tracing-Berechnungen für Spiegel und andere Optiken des Spektrometers an der BL07LSU ausgeführt. Damit ist von einer Verdreibis Vervierfachung der Auflösung des Spektrometers auszugehen, wovon zukünftige Experimente an der BL07LSU, unter anderem auch am LSHM, profitieren werden.

"Water-in-salt" solutions (hydrate melts) are a class of ionic liquids and as such promising electrolytes for future aqueous Lithium-ion batteries, distinguishing themselves through safe use, reliability, and environmental friendliness. In the scope of this work, which was carried out at the Super Photon Ring - 8 GeV (SPring-8) in Japan, the structure of a Lithium salt hydrate melt (LSHM) was investigated at the beamline BL07LSU for soft X-ray spectroscopy. To relate the absorption and emission spectra thus obtained und the structure of the LSHM, Molecular Dynamics (MD) simulations were carried out in addition to the experiment. Based on that, elementary structures were identified in the simulation and with the help of a DFT software, the theoretical emission spectra of those structures were calculated. The comparison between the experimental and theoretical spectra gives an impression of the bonding between Lithium, water, and the other molecules present in the hydrate melt, and may explain the transport of Lithium in LSHM. Furthermore, to improve the experimental capabilities of the spectrometer at BL07LSU, ray-tracing calculations for mirrors and other optics of the spectrometer were performed. By making use of these new optics, an improvement of a factor of 3 to 4 in spectrometer resolution is expected. Future experiments, among them experiments on LSHM, will benefit from this development.