Spectrosocpie et quantification du lithium par microanalyse X – SQLX

Le lithium est un élément de plus en plus important à cause de ses applications pour l’énergie notamment : la demande en batteries au lithium augmente avec le développement des véhicules électriques. Il est crucial de pouvoir le quantifier, déterminer sa concentration, de manière fiable et avec un instrument de laboratoire, facile d’accès et simple d’utilisation, dans des minéraux pouvant servir de minerai, dans des dispositifs tels des batteries et mêmes dans des matériaux à recycler. L’émission Li K est une bande d’émission très sensible à l’état chimique du lithium et les modèles classiques de quantification, à partir de la mesure à une énergie donnée de l’intensité d’une émission X caractéristique, ne peuvent pas être appliqués tels quels. Pour obtenir une quantification fiable, nous proposons un projet de recherche divisé en trois tâches.

En premier lieu, nous équiperons le spectromètre d’une microsonde électronique avec une multicouche périodique et optimisée pour le domaine spectral Li K. Cette multicouche a déjà été fabriquée et partiellement caractérisée. Les résultats sont prometteurs et montrent que cet élément dispersif est adapté à la spectroscopie aux alentours de 50 eV. En attendant le démarrage de la tâche suivante, cette première étape permettra aux partenaires du projet de se familiariser à ce domaine spectral particulier en analysant des échantillons de référence avec une résolution spectrale de l’ordre de 3 eV.

La deuxième tâche consistera à installer un spectromètre à haute résolution spectrale sur une microsonde électronique. L’élément dispersif de cet appareil, disponible commercialement, est une zone de Fresnel en réflexion, fonctionnant de manière analogue à un réseau à pas variable. Il permettra d’obtenir le spectre K du lithium avec une résolution de 0.7 eV, c’est-à-dire que la forme de la bande d’émission sera sensible à l’état chimique de l’atome de lithium. Les échantillons de la première tâche seront à leur tour analysés et seront complétés par des mesures sur des minéraux.

La troisième tâche, menée en partie parallèlement aux tâches 2 et 3, consistera à développer un modèle original de quantification du lithium dans les solides, à partir de la mesure de l’intensité de sa bande d’émission. La quantification ne pouvant reposer sur une mesure d’intensité effectuée à une seule énergie ainsi que sur un unique coefficient d’atténuation du rayonnement X, les spectres d’émission et d’absorption seront calculés. Pour cela des calculs ab initio des densités d’états occupés et inoccupés seront nécessaires ainsi qu’une évaluation critique des paramètres fondamentaux existant dans la littérature, coefficients d’atténuation et rendements de fluorescence. La prise en compte de l’intensité intégrée de la bande d’émission ainsi que le choix optimisé des coefficients d’atténuation conduira à un modèle de quantification élémentaire qui sera testé en premier lieux sur les échantillons de référence, puis validé sur des minéraux. Enfin en dernière partie du projet, le modèle sera utilisé pour des applications géologiques, notamment la quantification et la répartition du lithium dans des gisements naturels des Alpes.

Le consortium comporte cinq institutions et onze partenaires. Il regroupe des spécialistes de l’instrumentation dans le domaine des rayons X, la mise en œuvre de microsondes électroniques, le développement de modèle de quantification élémentaire, les calculs ab initio de densités d’états occupés et vides, l’évaluation des paramètres fondamentaux, les applications géologiques, etc. Un.e doctorant.e rejoindra le projet au début de sa deuxième année et participera activement aux tâches 2 et 3. Toutes les compétences scientifiques seront ainsi réunies pour mener à bien le projet SQLX.