Summary
(डी) लिथेशन के दौरान एसआई नैनोकणों के मात्रा परिवर्तन का उपयोग करते हुए, वर्तमान प्रोटोकॉल सीटू ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी के लिए संभावित कोटिंग्स की स्क्रीनिंग विधि का वर्णन करता है।
Abstract
ली-आयन बैटरी के लगातार बढ़ते उपयोग के साथ, विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों में उन्हें अपनाने के कारण, उनकी सुरक्षा प्रमुख फोकस में है। इस प्रकार, ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी (एएसएसबी) जो तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करती हैं, जो ज्वलनशीलता के जोखिम को कम करती हैं, पिछले कुछ वर्षों से बैटरी अनुसंधान का केंद्र चरण रही हैं। हालांकि, एएसएसबी में, ठोस-ठोस इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस के माध्यम से आयन परिवहन संपर्क और रासायनिक / विद्युत रासायनिक स्थिरता के मुद्दों के कारण एक चुनौती है। इलेक्ट्रोड और / या इलेक्ट्रोलाइट कणों के चारों ओर एक उपयुक्त कोटिंग लागू करना एक सुविधाजनक समाधान प्रदान करता है, जिससे बेहतर प्रदर्शन होता है। इसके लिए, शोधकर्ता दीर्घकालिक रासायनिक, विद्युत रासायनिक और यांत्रिक स्थिरता के लिए उपयुक्त मोटाई के साथ सर्वोत्तम कोटिंग्स खोजने के लिए संभावित इलेक्ट्रॉनिक / आयनिक प्रवाहकीय और गैर-प्रवाहकीय कोटिंग्स की जांच कर रहे हैं। ओपरेंडो ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) गतिशील प्रक्रियाओं के विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति देने के लिए उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन के साथ उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन जोड़ता है, और इस प्रकार वास्तविक समय में एकल कण स्तर पर अध्ययन (डी) लिथेशन के माध्यम से इलेक्ट्रोड / इलेक्ट्रोलाइट कोटिंग्स का मूल्यांकन करने के लिए एक आदर्श उपकरण है। हालांकि, सीटू काम में एक विशिष्ट उच्च-रिज़ॉल्यूशन के दौरान संचित इलेक्ट्रॉन खुराक विद्युत रासायनिक मार्गों को प्रभावित कर सकती है, जिसका मूल्यांकन समय लेने वाला हो सकता है। वर्तमान प्रोटोकॉल एक वैकल्पिक प्रक्रिया प्रस्तुत करता है जिसमें एसआई नैनोकणों पर संभावित कोटिंग्स लागू की जाती हैं और ओपेरांडो टीईएम प्रयोगों के दौरान (डी) लिथिएशन के अधीन होती हैं। (डी) लिथिएशन के दौरान एसआई नैनोकणों के उच्च मात्रा परिवर्तन अपेक्षाकृत कम आवर्धन पर कोटिंग व्यवहार की निगरानी की अनुमति देते हैं। इस प्रकार, पूरी प्रक्रिया बहुत इलेक्ट्रॉन-खुराक कुशल है और संभावित कोटिंग्स की त्वरित स्क्रीनिंग प्रदान करती है।
Introduction
आज, ली-आयन बैटरी हमारे चारों ओर हैं, विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे स्मार्टफोन और लैपटॉप से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों तक, जिनकी संख्या जीवाश्म ईंधनआधारित अर्थव्यवस्था 1,2 से दूर जाने के लिए तेजी से बढ़ रही है। यह लगातार बढ़ने के साथ, ली-आयन बैटरी की सुरक्षा विशेषताएं एक उच्च प्राथमिकता आवश्यकता3 हैं। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स जो आमतौर पर पारंपरिक ली-आयन बैटरी में उपयोग किए जाते हैं, ज्वलनशील होते हैं, खासकर उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज और तापमान पर। इसके विपरीत, ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी (एएसएसबी) में गैर-ज्वलनशील ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने से ज्वलनशीलताका खतरा कम हो जाता है। यह, और संभावित रूप से उच्च ऊर्जा घनत्व, पिछले कुछ वर्षों में एएसएसबी को अनुसंधान की सुर्खियों में लाया है। हालांकि, एएसएसबी में ठोस-ठोस इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस अपनी चुनौतियां लाता है जो पारंपरिक तरल-ठोस इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस5 से काफी अलग हैं। एएसएसबी में उपयोग किए जाने वाले कई इलेक्ट्रोलाइट्स लिथियम और कैथोड के खिलाफ रासायनिक और / या विद्युत रासायनिक रूप से स्थिर नहीं हैं। इस प्रकार, इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर अपघटन प्रतिक्रियाएं निष्क्रिय परतों के गठन का कारण बनती हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिबंधित आयनिक परिवहन और आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि होती है जिससे बैटरी चक्र6 पर क्षमता में गिरावट होती है। इस तरह की प्रतिक्रिया को रोकने के सबसे आम तरीकों में से एक इलेक्ट्रोड और / या इलेक्ट्रोलाइट्स पर एक कोटिंग लागू करना है, जो यह सुनिश्चित करता है कि इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट के बीच कोई सीधा संपर्क नहीं है और परिणामस्वरूप एक स्थिर इंटरफ़ेस होता है। इस उद्देश्य के लिए, वर्तमान में विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक प्रवाहकीय कोटिंग्स की जांचकी जा रही है।
आदर्श कोटिंग के लिए मुख्य आवश्यकताएं हैं: इसे आयन चालन की अनुमति देनी चाहिए; यह बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि नहीं करनी चाहिए; और यह कई बैटरी चक्रों में रासायनिक और यांत्रिक रूप से स्थिर होना चाहिए। कोटिंग मोटाई, एकल परत या बहुस्तरीय और आदर्श कोटिंग प्रक्रिया जैसे अन्य प्रश्न एएसएसबी के व्यावसायीकरण के लिए प्रमुख रुचि रखते हैं। इस प्रकार, सर्वोत्तम कोटिंग्स का पता लगाने के लिए एक स्क्रीनिंग विधि की आवश्यकता होती है।
परमाणु पैमाने9,10 तक एएसएसबी में ठोस-ठोस इंटरफ़ेस की जांच के लिए एक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) का उपयोग किया गया है। इसके अलावा, ओपरेंडो टीईएम एक टीईएम के अंदर एक माइक्रो बैटरी बनाने और बैटरी साइक्लिंग के दौरान बैटरी प्रक्रियाओं का अध्ययन करने की संभावना प्रदान करता है। बैटरी में ली-आयन आंदोलनों को ट्रैक करने के लिए, उच्च रिज़ॉल्यूशन परइमेजिंग की आवश्यकता होती है। हालांकि, प्रयोग की पूरी अवधि में इस तरह के उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग की अंतर्निहित उच्च इलेक्ट्रॉन बीम खुराक विद्युत रासायनिक मार्गों को बदल सकती है। इसका एक विकल्प कोटिंग्स है जो एसआई नैनोकणों (एनपी) पर लागू होते हैं और (डी) लिथेशन के अधीन होते हैं। ओपेरांडो टीईएम प्रयोगों के दौरान, कोटिंग की निगरानी कम आवर्धन पर की जा सकती है, 12,13,14 के दौरान एसआई नैनोकणों के उच्च मात्रा परिवर्तन के लिए धन्यवाद। इस प्रकार, अपेक्षाकृत कम इलेक्ट्रॉन खुराक पर पूरी बैटरी साइक्लिंग प्रक्रिया की निगरानी की जा सकती है। इसके अलावा, एसआई के उच्च मात्रा परिवर्तनों के कारण कोटिंग पर उत्पन्न तनाव कई चक्रों में कोटिंग पर उत्पन्न तनाव के अनुरूप होगा। इस प्रकार, कोटिंग्स की दीर्घकालिक यांत्रिक स्थिरता की भी जांच की जा सकती है। इस लेख का उद्देश्य टीआईओ2कोटिंग की विभिन्न मोटाई के उदाहरणों के साथ साझा करना है, संभावित एएसएसबी कोटिंग्स की स्क्रीनिंग के लिए इस तरह के एक ओपेरांडो टीईएम प्रयोग कैसे आयोजित किया जा सकता है। प्रोटोकॉल एक सीटू टीईएम धारक पर लेपित एसआई एनपी लोड करने, एक टीईएम में लेपित एसआई एनपी के लिथियम का अवलोकन करने और टीईएम छवियों का विश्लेषण करने की व्याख्या करेगा।
Protocol
1. आधे कट टीईएम ग्रिड पर टीआईओ 2 लेपित एसआई नैनोकणों (टीआईओ2@Si एनपी) की तैयारी
- आधा कटा हुआ टीईएम ग्रिड तैयार करें।
- लेसी फिल्म के साथ 3 मिमी टीईएम ग्रिड रखें ( सामग्री की तालिका देखें) एक साफ ग्लास स्लाइड पर।
- रेजर ब्लेड के साथ टीईएम ग्रिड को आधे कट ग्रिड में काट लें।
- आधे कट वाले टीईएम ग्रिड पर टीआईओ2@Si एनपी को ड्रॉप-कास्ट करें।
नोट: इस अध्ययन में, परमाणु परत जमाव 15 द्वारा 5 एनएम / 10 एनएम टीआईओ2के साथ लेपित100 एनएम आकार के एसआई एनपी का उपयोग किया गया था। शोधकर्ता विभिन्न तरीकों से लेपित एसआई एनपी तैयार कर सकते हैं।- टीआईओ2@Si एनपी को एसीटोन के 10 एमएल में फैलाएं और एक पिपेट के साथ आधे कट टीईएम ग्रिड में से एक पर ड्रॉपकास्ट करें।
नोट: लगभग 10 5 μL बूंदों के परिणामस्वरूप आधे कट TEM ग्रिड के किनारे पर पर्याप्त TiO2@Si NPs होंगे। - जांचें कि टीईओ2@Si एनपी को टीईएम के माध्यम से किनारे पर रखा गया है।
नोट: यह आवश्यक नहीं है, लेकिन अनुशंसित है।
- टीआईओ2@Si एनपी को एसीटोन के 10 एमएल में फैलाएं और एक पिपेट के साथ आधे कट टीईएम ग्रिड में से एक पर ड्रॉपकास्ट करें।
- आधे कटे हुए टीईएम ग्रिड पर टंगस्टन (डब्ल्यू) तार संलग्न करें।
- एक निपर ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके डब्ल्यू तार को छोटे टुकड़ों में काटें, जिसकी लंबाई 0.5-1 सेमी है।
- साफ स्लाइड ग्लास पर प्रवाहकीय गोंद के दो घटकों को मिलाएं। प्रवाहकीय गोंद के साथ आधे कटे हुए ग्रिड पर डब्ल्यू तार को गोंद दें।
- प्रवाहकीय गोंद को कमरे के तापमान पर 4 घंटे के लिए सुरक्षित स्थान पर सुखाकर ठीक करें।
नोट: त्वरित इलाज के लिए, नमूना को गर्म प्लेट पर लगभग 100 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए गर्म करें।
2. डब्ल्यू सुई तैयार करना
- एक निपर का उपयोग करके डब्ल्यू तार को छोटे टुकड़ों में काटें, जिसकी लंबाई ~ 2 सेमी है। इलेक्ट्रो-पॉलिशिंग मशीन पर डब्ल्यू तार माउंट करें ( सामग्री की तालिका देखें)।
- 10 एमएल बीकर में 1.3 मोल / एल एनएओएच का 50% और इथेनॉल का 50% मिलाएं। बीकर से इलेक्ट्रोलाइट ले जाने के लिए एक काउंटर इलेक्ट्रोड की उचित चलने योग्य सीमा निर्धारित करें।
नोट: इलेक्ट्रोपॉलिशिंग क्षेत्र को लूप को पुनरावर्ती रूप से ऊपर और नीचे ले जाकर समायोजित किया जा सकता है। लूप के ऊर्ध्वाधर आंदोलन की सीमा निर्धारित करके पॉलिशिंग क्षेत्र 2-4 मिमी तक सीमित है। इलेक्ट्रोलाइट बीकर में लूप को डुबोने के लिए लूप के ऊर्ध्वाधर आंदोलनों की संख्या प्रति यात्रा पांच बार सेट की जाती है। - वोल्टेज को तब तक लागू करें जब तक कि डब्ल्यू तार दो टुकड़ों में कट न जाए- दो तेज डब्ल्यू सुइयां।
नोट: इस अध्ययन में उपयोग की जाने वाली पॉलिशिंग स्थिति वोल्टेज (4.0 वी) थी, और प्रति इलेक्ट्रोलाइट पांच पुनरावृत्तियों के साथ लूप (2-4 मिमी) की ऊर्ध्वाधर पुनरावृत्ति आंदोलन थी। - तैयार डब्ल्यू सुई को जांच सिर पर लोड करें।
3. ड्रॉप-कास्ट टीईएम ग्रिड और डब्ल्यू सुई को सीटू टीईएम धारक में लोड करना।
- एयर-फ्री ग्लव बॉक्स में ड्रॉप-कास्ट ्ड हाफ-कट टीईएम ग्रिड, डब्ल्यू नीडल-लोडेड प्रोब हेड, सीटू टीईएम धारक और छोटे दस्ताने बैग (खोला हुआ) डालें ( सामग्री की तालिका देखें)।
- ली धातु को तैयार डब्ल्यू सुई (ली /लीएक्सO@W सुई) जांच सिर के साथ खरोंचें।
नोट: ली आसानी से पानी की एक छोटी मात्रा द्वारा ऑक्सीकरण (Li / LixO) होता है। - ली/ली एक्सO@W सुई जांच सिर को सीटू टीईएम धारक पर माउंट करें। ड्रॉप-कास्टेड आधा-कट टीईएम ग्रिड को सीटू टीईएम धारक में लोड करें (चित्रा 1)।
- सीटू टीईएम धारक को एक छोटे से दस्ताने बैग में रखें। छोटे दस्ताने बैग को बंद करें और इसे दस्ताने के बॉक्स से बाहर निकालें।
नोट: सीटू प्रयोग से ठीक पहले सीटू टीईएम धारक को बाहर निकालें ताकि वायु संपर्क यथासंभव कम हो।
4. टीईएम में सीटू धारक में इकट्ठे को सम्मिलित करना
लीएक्सO@W सुई को दस्ताने बैग में हवा या पानी द्वारा ऑक्सीकरण किया जा सकता है, इसलिए सावधान रहें।
- एक बड़े दस्ताने बैग के साथ खाली टीईएम गोनोमीटर ( सामग्री की तालिका देखें) के चारों ओर सील करें। बंद छोटे दस्ताने बैग में रखें जिसमें सीटू टीईएम धारक शामिल हैं।
- निष्क्रिय गैस (एआर या एन2) के साथ बड़े दस्ताने बैग को तीन बार से अधिक पंप और शुद्ध करें।
नोट: एकल पंपिंग और शुद्ध करने की प्रक्रिया में लगभग कुछ मिनट लग सकते हैं। - छोटे बैग को खोलें और सीटू टीईएम धारक में इकट्ठे को डालें। केबलों को सीटू टीईएम धारक से कनेक्ट करें।
नोट: एक केबल नियंत्रण उपकरण से सुई आंदोलन के लिए है, और दूसरा बिजली की आपूर्ति से वोल्टेज या वर्तमान को लागू करने के लिए है ( सामग्री की तालिका देखें)।
5. टीईएम में सीटू पूर्वाग्रह प्रयोग का प्रदर्शन करना।
- इलेक्ट्रॉन बीम को संरेखित करें।
नोट: सभी टीईएम तकनीकों और सिद्धांतों को संदर्भ16 से सीखा जा सकता है। - Li/LixO@W सुई को TiO 2@Si NPs की ओर ले जाएं (चित्र 2)। निम्नतम आवर्धन सेट करें.
- आधा कटा हुआ TEM ग्रिड ज्ञात कीजिए। TEM गोनियोमीटर द्वारा ग्रिड को यूसेंट्रिक ऊंचाई पर खोजें। Li/LixO@W सुई ज्ञात कीजिये।
- TEM मंच लड़खड़ाते हुए चलाएं। मोटे आंदोलन (बार-बार नाड़ी के साथ जड़त्वीय स्लाइडिंग) द्वारा सुई को यूसेंट्रिक ऊंचाई तक खोजें।
नोट: सुई आंदोलन का न्यूनीकरण यूसेंट्रिक ऊंचाई को इंगित करता है। - सुई को मोटे आंदोलन द्वारा ग्रिड के करीब ले जाएं। आवर्धन बढ़ाएँ.
- सुई और टीआईओ2@Si एनपी के बीच ठीक आंदोलन (पीजोइलेक्ट्रिक ट्यूब) द्वारा शारीरिक संपर्क बनाने के लिए सुई को ग्रिड में आगे ले जाएं।
नोट: TiO2@Si NPs का विपरीत परिवर्तन शारीरिक संपर्क को इंगित करता है।
- उचित आवर्धन और बीम तीव्रता सेट करें।
नोट: इस अध्ययन में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रॉन खुराक दर 10 e-/ O2 / s थी, जो जैविक नमूने के लिए एक तुलनीय स्थिति थी। - वोल्टेज लागू करें और छवि या वीडियो कैप्चर करें।
नोट: इस अध्ययन में उपयोग किया गया वोल्टेज 2 वी था।
6. टीईएम छवियों का विश्लेषण
- TEM छवि लोड करें। कण को लक्षित करने के लिए एक बहुभुज खींचें।
- खींचे गए बहुभुज के क्षेत्रफल को मापें। विभिन्न TEM छवियों के बीच मापा क्षेत्र की तुलना करें।
नोट: परिमाणीकरण उद्देश्य के लिए, माप से पहले पैमाने (इकाई: पिक्सेल प्रति लंबाई) सेट करना आवश्यक है। वर्तमान अध्ययन में छवियों को संसाधित करने के लिए इमेजजे (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग किया गया था।
Representative Results
5 एनएम और 10 एनएम टीआईओ 2 लेपित एसआई / एसआईओ2कणों पर लिथियम की टीईएम छवियों की एक श्रृंखला चित्रा 3 मेंदिखाई गई है। 5 एनएम कोटिंग के मामले में, पूरे क्षेत्र में महत्वपूर्ण विस्तार हुआ, और भारी विस्तार के दौरान कोटिंग नहीं टूटी थी। 10 एनएम कोटिंग के मामले में, अपेक्षाकृत छोटा विस्तार लंबे समय तक भी हुआ, और कोटिंग 2 मिनट के बाद टूट गई। विस्तार और कोटिंग टूटने की मात्रा से, 5 एनएम कोटिंग 10 एनएम कोटिंग की तुलना में बेहतर क्षमता और स्थायित्व दिखाने का वादा किया गया है।
कण विस्तार की मात्रा छवि प्रसंस्करण द्वारा प्राप्त की जा सकती है जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है। 5 एनएम कोटिंग केस ने लगभग 2 x एरियल विस्तार दिखाया, जबकि 10 एनएम कोटिंग केस ने केवल 1.2x एरियल विस्तार दिखाया। 5 एनएम कोटिंग केस की विस्तार दर 10 एनएम कोटिंग केस की तुलना में छह गुना तेज है।
चित्र 1: सीटू टीईएम धारक असेंबली में । (ए) एक खाली टीईएम पूर्वाग्रह धारक। (बी) धारक के दाईं ओर टंगस्टन रॉड के साथ ड्रॉप-कास्ट आधे-कट टीईएम ग्रिड को इकट्ठा करना। (सी) धारक के बाईं ओर टंगस्टन सुई के साथ जांच सिर को इकट्ठा करना। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 2: टंगस्टन सुई को टीईएम में टीआईओ2 लेपित एसआई नैनोकणों की ओर ले जाना। (ए) टंगस्टन सुई को यूसेंट्रिक ऊंचाई तक ले जाना और सुई को टीईएम ग्रिड के करीब ले जाना। (बी) सुई और नैनोकणों के बीच भौतिक संपर्क विपरीत परिवर्तन द्वारा इंगित किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 3: लिथेशन के बारे में टीईएम छवि श्रृंखला । (ए) 5 एनएम टीआईओ2 लेपित एसआई नैनोकणों। (बी) 10 एनएम टीआईओ2 लेपित एसआई नैनोकणों। आंकड़ा बसाक एट अल .15 से अनुकूलित है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: लिथेशन के दौरान नैनोकणों के विस्तार पर नज़र रखना । (ए) टीईएम छवि से नैनोकणों (एक खींचे गए बहुभुज द्वारा) के क्षेत्र को मापना। (बी) क्षेत्र वृद्धि का ग्राफ बनाम समय। आंकड़ा बसाक एट अल .15 से अनुकूलित है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
Discussion
सीटू टीईएम के माध्यम से लेपित एसआई एनपी का उपयोग एएसएसबी के लिए संभावित कोटिंग्स की सरल परीक्षा को सक्षम बनाता है। इन प्रयोगों की सफलता का निर्धारण करने में महत्वपूर्ण चरणों में से एक LiOx की उपयुक्त मोटाई है, जो इन प्रयोगों में एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करता है। चूंकि एलआईओ एक्स की आयनिक चालकता एएसएसबी में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट ठोस इलेक्ट्रोलाइट की तुलना में काफी कम है, इसलिए एक मोटी एलआईओएक्स परत आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाएगी और आयन चालन में बाधा डालेगी। दूसरी ओर, लिथियम का कोई भी गैर-ऑक्सीकरण क्षेत्र बैटरी शॉर्ट सर्किट के वैकल्पिक साधन के रूप में कार्य कर सकता है। तथाकथित दस्ताने बैग (चरण 3 और 4 में वर्णित) का उपयोग करके ग्लवबॉक्स से टीईएम तक इकट्ठे धारक को सावधानीपूर्वक ले जाकर एलआईओएक्स की उचित मोटाई सुनिश्चित की जा सकती है।
लिथियम के दौरान कोटिंग व्यवहार की जांच अधिक गहराई से की जा सकती है, यहां तक कि इस कम आवर्धन पर भी यदि कोटिंग डेटा (सिग्नल) को सी-कोर (शोर) के डेटा के बिना टीईएम छवियों से अलग से निकाला जाता है। लिथिएशन से पहले, कोटिंग और एसआई एनपी को आसानी से कंट्रास्ट द्वारा अलग किया जाता है। हालांकि, लिथेशन के दौरान, कंट्रास्ट अंतर कम हो गया था, इसलिए स्वतंत्र रूप से कोटिंग की घटनाओं की जांच करना मुश्किल था। एसटीईएम इमेजिंग कंट्रास्ट को बढ़ा सकती है, और एसटीईएम छवियों की तीव्रता का उपयोग वॉल्यूम माप के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, मशीन लर्निंग या डीप लर्निंग तकनीक फीचर पहचान को बढ़ा सकती है और सीटू प्रयोगों के दौरान तंत्र को समझने के लिए अधिक जानकारी निकाल सकती है।
सीटू टीईएम के माध्यम से लेपित एसआई एनपी के (डी) लिथेशन की वर्तमान प्रक्रिया संभावित कोटिंग सामग्री का पता लगाने के लिए त्वरित स्क्रीनिंग तक सीमित है। शॉर्टलिस्ट किए गए कोटिंग उम्मीदवारों को वास्तविक एएसएसबी में परीक्षण किया जाना चाहिए। माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) पर फोकस्ड-आयन-बीम द्वारा तैयार किए गए माइक्रो बैटरी के सीटू पूर्वाग्रह अध्ययन में, इंटरफेशियल आयनिक परिवहन तंत्र 6,11 पर अधिक जानकारी प्रदान कर सकते हैं।
इस कोटिंग स्क्रीनिंग तकनीक को सोडियम के साथ लिथियम को बदलकर ना-आयन आधारित एएसएसबी के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
यह काम मैरी स्क्लोडोवस्का-क्यूरी कार्रवाई से "इलेक्ट्रोस्कोपी" (अनुदान संख्या 892916) के ढांचे में आयोजित किया जाता है। जेपी, ओसी, एचटी, और एचके, बीएमबीएफ से परियोजना आईन्यू एफकेजेड 03 एफ 0589 ए को स्वीकार करते हैं। सीजी एक यूआरएफ (अनुदान संख्या यूएफ 160573) के लिए रॉयल सोसाइटी, लंदन से धन स्वीकार करता है।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 mm TEM grids with lacey film | Ted Pella | ||
| Acetone | Sigma Aldrich | ||
| Ar gas | Linde | ||
| Conductive glue | Chemtronics | CW2400 | |
| Electro-polishing machine | Simplex Scientific LLC | ElectroPointer | Including counter electrode (a small loop made by Platinum) |
| Ethanol | Sigma Aldrich | ||
| Glove bag | |||
| Glove box | |||
| Image Processing program | ImageJ | ||
| In-situ biasing TEM holder | Nanofactory | Nanofactory STM-TEM holder | Including piezo control equipment |
| NaOH | Sigma Aldrich | ||
| Nipper | |||
| Power supply | Keithley | ||
| TiO2 coated Si/SiO2 particles | In house made, TiO2 coated on commerical Si nanoparticles by atomic layer deposition method | ||
| Transmission electron microscope (TEM) | ThermoFisher Scientific | Titan G2 | |
| Tungsten (W) wire (diameter: 0.25 mm) | any available brand |
References
- Armand, M., Tarascon, J. -M.
- Goodenough, J. B., Park, K. -S. The Li-ion rechargeable battery: a perspective. Journal of the American Chemical Society. 135 (4), 1167-1176 (2013).
- Liu, K., Liu, Y., Lin, D., Pei, A., Cui, Y. Materials for lithium-ion battery safety. Science Advances. 4 (6), (2018).
- Grey, C. P., Hall, D. S. Prospects for lithium-ion batteries and beyond-a 2030 vision. Nature Communications. 11 (1), 6279 (2020).
- Basak, S., et al. Operando transmission electron microscopy study of all-solid-state battery interface: redistribution of lithium among interconnected particles. ACS Applied Energy Materials. 3 (6), 5101-5106 (2020).
- Wang, L., et al. In-situ visualization of the space-charge-layer effect on interfacial lithium-ion transport in all-solid-state batteries. Nature Communications. 11 (1), 5889 (2020).
- Lee, D. J., et al. Nitrogen-doped carbon coating for a high-performance SiO anode in lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications. 34, 98-101 (2013).
- Wu, E. A., et al. A facile, dry-processed lithium borate-based cathode coating for improved all-solid-state battery performance. Journal of The Electrochemical Society. 167 (13), 130516 (2020).
- Liu, Y., et al. Visualizing the sensitive lithium with atomic precision: cryogenic electron microscopy for batteries. Accounts of Chemical Research. 54 (9), 2088-2099 (2021).
- Sheng, O., et al. Interfacial and ionic modulation of poly (ethylene oxide) electrolyte via localized iodization to enable dendrite-free lithium metal batteries. Advanced Functional Materials. 32 (14), 2111026 (2022).
- Gong, Y., et al. In situ atomic-scale observation of electrochemical delithiation induced structure evolution of LiCoO2cathode in a working all-solid-state battery. Journal of the American Chemical Society. 139 (12), 4274-4277 (2017).
- Huang, J. Y., et al. In situ observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode. Science. 330 (6010), 1515-1520 (2010).
- Liu, X. H., et al. Anisotropic swelling and fracture of silicon nanowires during lithiation. Nano Letters. 11 (8), 3312-3318 (2011).
- Liu, X. H., et al. Size-dependent fracture of silicon nanoparticles during lithiation. ACS Nano. 6 (2), 1522-1531 (2012).
- Basak, S., et al. Operando transmission electron microscopy of battery cycling: thickness dependent breaking of TiO 2 coating on Si/SiO 2 nanoparticles. Chemical Communications. 58 (19), 3130-3133 (2022).
- Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. , Springer. US. Boston, MA. (2009).
- Horwath, J. P., Zakharov, D. N., Mégret, R., Stach, E. A. Understanding important features of deep learning models for segmentation of high-resolution transmission electron microscopy images. npj Computational Materials. 6 (1), 108 (2020).
