使用 原位 透射电子显微镜筛选全固态电池涂层

电极和电解质涂层对于确保全固态电池的稳定性和长期性能至关重要。我们的筛选方法基于简单的原位TEM研究，有助于我们确定理想的涂层材料，涂层厚度，单层或多层涂层以及基础涂层程序。涂层应用于硅纳米颗粒。

众所周知，硅在锂化和脱锂过程中的剧烈体积变化使我们能够以相对较低的放大倍率跟踪通过涂层的锂化和脱锂，从而以低电子剂量率确保没有电子束损坏。今天，我小组的博士后研究员Junbeom Park博士将演示该程序。ER-C研究所的博士后研究员Janghyun Jo博士也将帮助演示该程序。

首先，通过将带有花边泡沫的三毫米TEM网格放在干净的载玻片上来准备半切TEM网格。然后，用剃须刀片将TEM网格切成半切网格。接下来，将涂有二氧化钛的硅纳米颗粒分散到丙酮中，并用移液器滴铸到半切的TEM网格之一上。

用钳子将钨丝切成0.5至1厘米的小块。将导电胶的两种组分混合在干净的载玻片上后，用导电胶将钨丝粘在半切网格上。然后，通过在室温下在安全的地方干燥四个小时来固化导电胶。

用钳子将钨丝切成约两厘米长的小块，然后将钨丝安装在电解抛光机上。在 10 毫升烧杯中混合每升 50% 1.3 摩尔氢氧化钠和 50% 乙醇。设置对电极的适当活动范围，以从烧杯中携带电解液。

施加电压，直到钨丝被切成两块，产生两根锋利的钨针。然后，将准备好的钨针装入探头上。将钨针式探头插入原位 TEM 支架，带有滴铸、半切 TEM 网格和小手套袋，插入氩气手套箱。

用准备好的钨针探针头划伤锂金属，并将负载锂的钨针安装到原位TEM支架上。将组装好的原位 TEM 支架放入一个小手套袋中。关闭小手套袋后，将其从手套箱中取出。

用大手套袋密封空的TEM测角仪周围，并将装有组装好的原位TEM支架的封闭小手套袋放入大手套袋中。用惰性气体泵送并吹扫大手套袋三次以上。然后，打开小袋子并插入组装好的原位 TEM 支架。

请注意，轻微的空气暴露会在锂上形成氧化锂层。该氧化锂层充当固体电解质。接下来，连接原位 TEM 支架、其控制单元和电压电流源之间的电缆。

找到半切 TEM 网格。然后，移动测角仪将网格放置在TEM的共心位置。接下来，找到带有氧化锂涂层锂的钨针。

运行 TEM 舞台摇摆。通过原位支架的粗移动将针定位到真心高度后，通过支架的粗XY运动将针靠近网格，当针靠近网格时，放大倍率增加。将针向前移动到网格，通过原位支架的压电探针头的精细运动，使氧化锂包覆的锂和二氧化钛包覆的硅纳米颗粒之间物理接触。

设置适当的放大倍率和电子束剂量率。然后，使用电流电压源在硅纳米颗粒和锂之间施加电压，并捕获图像系列以记录通过涂层的锂化和脱锂过程。首先，加载 TEM 图像。

然后，选择面选择工具并将面绘制到目标粒子。然后，测量绘制多边形的面积，并在各种TEM图像之间比较测量的面积，以估计锂化和脱锂过程中不同点的面积变化。获得了钛白粉涂层硅颗粒上锂化的TEM图像。

五纳米涂层表明整个区域发生了明显的膨胀，并且在巨大膨胀过程中涂层没有破裂。在10纳米涂层的情况下，即使在较长的锂化时间内也发生了相对较小的膨胀，并且涂层在两分钟后破裂。在锂化过程中，5纳米涂层表壳显示出约两倍的面膨胀，而10纳米涂层表壳仅显示出1.2倍的面膨胀，这表明5纳米涂层表壳的膨胀速度快了六倍。

成功的实验需要适当厚度的氧化锂层，因此，控制空气暴露量是一个关键步骤。按照这一微电池制造程序，氦钠离子通过电极和电解质界面的传播也可以可视化。这种基于简单的原位透射电镜分析特定涂层适用性的方法肯定会加速理想阳极、阴极和电解质涂层的选择，从而推动全固态电池的商业化。