Screening von Beschichtungen für eine Festkörperbatterie mittels In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie

Elektroden- und Elektrolytbeschichtungen sind entscheidend, um die Stabilität und langfristige Leistung von Festkörperbatterien zu gewährleisten. Unsere Screening-Methode, die auf einer einfachen In-situ-TEM-Studie basiert, hilft uns, das ideale Beschichtungsmaterial, die Schichtdicke, die ein- oder mehrschichtige Beschichtung sowie die Basisbeschichtungsverfahren zu bestimmen. Die Beschichtungen werden auf Silizium-Nanopartikel aufgebracht.

Die bekannte drastische Volumenänderung von Silizium während der Lithiierung und Delithiation ermöglicht es uns, die Lithiierung und Delithiation durch die Beschichtung bei relativ geringer Vergrößerung und damit bei einer niedrigen Elektronendosisleistung zu verfolgen, wodurch sichergestellt wird, dass der Elektronenstrahl nicht beschädigt wird. Heute wird Dr. Junbeom Park, ein Postdoktorand aus meiner Gruppe, das Verfahren demonstrieren. Dr. Janghyun Jo, Postdoktorand am ER-C-Institut, wird ebenfalls bei der Demonstration des Verfahrens helfen.

Bereiten Sie zunächst ein halb geschnittenes TEM-Gitter vor, indem Sie die drei Millimeter dicken TEM-Gitter mit Spitzenschaum auf einen sauberen Glasträger legen. Schneiden Sie dann das TEM-Gitter mit einer Rasierklinge in halb geschnittene Gitter. Als nächstes dispergieren Sie die mit Titandioxid beschichteten Silizium-Nanopartikel in Aceton und lassen Sie sie mit einer Pipette auf eines der halb geschnittenen TEM-Gitter fallen.

Schneiden Sie einen Wolframdraht mit einer Zange in kleine Stücke mit einer Länge von 0,5 bis 1 Zentimeter. Nachdem Sie die beiden Komponenten des leitfähigen Klebers auf dem sauberen Objektträgerglas gemischt haben, kleben Sie den Wolframdraht mit leitfähigem Kleber auf das halb geschnittene Gitter. Härten Sie dann den leitfähigen Kleber aus, indem Sie ihn vier Stunden lang bei Raumtemperatur an einem sicheren Ort trocknen.

Schneiden Sie den Wolframdraht mit einer Zange in kleine Stücke mit einer Länge von ca. zwei Zentimetern und montieren Sie den Wolframdraht auf der Elektropoliermaschine. Mischen Sie 50 % von 1,3 Mol pro Liter Natriumhydroxid und 50 % Ethanol in einem 10-Milliliter-Becherglas. Stellen Sie den richtigen beweglichen Bereich einer Gegenelektrode ein, um den Elektrolyten aus dem Becherglas zu transportieren.

Legen Sie die Spannung an, bis der Wolframdraht in zwei Stücke geschnitten ist, was zu zwei scharfen Wolframnadeln führt. Legen Sie dann die vorbereitete Wolframnadel auf den Sondenkopf. Setzen Sie den wolframnadelbelasteten In-situ-TEM-Halter mit dem tropfengegossenen, halb geschnittenen TEM-Gitter und der kleinen Handschuhtasche in das Argon-Handschuhfach ein.

Kratzen Sie das Lithiummetall mit dem vorbereiteten Wolframnadel-Sondenkopf ab und montieren Sie die lithiumbeladene Wolframnadel am In-situ-TEM-Halter. Legen Sie den vor Ort zusammengebauten TEM-Halter in eine kleine Handschuhtasche. Nachdem Sie die kleine Handschuhtasche verschlossen haben, nehmen Sie sie aus dem Handschuhfach.

Verschließen Sie das leere TEM-Goniometer mit einer großen Handschuhtasche und legen Sie die geschlossene kleine Handschuhtasche mit dem zusammengebauten TEM-Halter in die große Handschuhtasche. Pumpen und spülen Sie die große Handschuhtasche mehr als dreimal mit einem Inertgas. Öffnen Sie dann den kleinen Beutel und setzen Sie den vor Ort zusammengebauten TEM-Halter ein.

Beachten Sie, dass die leichte Lufteinwirkung eine Lithiumoxidschicht auf dem Lithium bildet. Diese Lithiumoxidschicht fungiert als fester Elektrolyt. Verbinden Sie als Nächstes die Kabel zwischen dem In-situ-TEM-Halter, seiner Steuereinheit und der Spannungsstromquelle.

Finden Sie das halb geschnittene TEM-Gitter. Bewegen Sie dann das Goniometer, um das Gitter in die euzentrische Position des TEM zu bringen. Als nächstes finden Sie die Wolframnadel mit dem mit Lithiumoxid beschichteten Lithium.

Führen Sie die TEM-Stufe wackelnd aus. Nachdem die Nadel durch grobe Bewegung des In-situ-Halters auf euzentrische Höhe gebracht wurde, bewegen Sie die Nadel durch grobe XY-Bewegung des Halters nahe an das Gitter, und wenn sich die Nadel dem Gitter nähert, wird die Vergrößerung erhöht. Bewegen Sie die Nadel nach vorne zum Gitter, um durch die feine Bewegung des Piezosondenkopfes des In-situ-Halters einen physischen Kontakt zwischen dem mit Lithiumoxid beschichteten Lithium und den mit Titandioxid beschichteten Silizium-Nanopartikeln herzustellen.

Stellen Sie die entsprechende Vergrößerung und Elektronenstrahldosisleistung ein. Legen Sie dann eine Spannung zwischen den Silizium-Nanopartikeln und dem Lithium an, indem Sie die Stromspannungsquelle verwenden, und nehmen Sie die Bildserie auf, um die Lithiations- und Delithiationsprozesse durch die Beschichtungsschicht aufzuzeichnen. Laden Sie zunächst das TEM-Bild.

Wählen Sie dann das Polygonauswahlwerkzeug aus, und zeichnen Sie ein Polygon auf das Zielpartikel. Messen Sie dann die Fläche des gezeichneten Polygons und vergleichen Sie die gemessene Fläche zwischen verschiedenen TEM-Bildern, um die Veränderung der Fläche an verschiedenen Punkten während des Lithiierungs- und Delithiierungsprozesses abzuschätzen. TEM-Bilder der Lithiierung auf Titandioxid-beschichteten Siliziumpartikeln wurden aufgenommen.

Die Fünf-Nanometer-Beschichtung zeigt, dass in der gesamten Fläche eine signifikante Ausdehnung aufgetreten ist und die Beschichtung bei einer enormen Ausdehnung nicht gebrochen wurde. Bei der 10-Nanometer-Beschichtung kam es auch bei längerer Lithiierungszeit zu einer relativ geringen Ausdehnung und die Beschichtung war nach zwei Minuten gebrochen. Während der Lithiierung zeigte das Fünf-Nanometer-Beschichtungsgehäuse eine etwa doppelte Flächenausdehnung, während das 10-Nanometer-Beschichtungsgehäuse nur eine 1,2-fache Flächenausdehnung aufwies, was zeigt, dass die Expansionsrate im Fall des Fünf-Nanometer-Beschichtungsgehäuses sechsmal schneller war.

Für ein erfolgreiches Experiment ist eine angemessene Dicke der Lithiumoxidschicht erforderlich, daher ist die Kontrolle der Luftbelastung ein kritischer Schritt. Nach diesem Verfahren der Herstellung von Mikrobatterien innerhalb der Helium-Natrium-Ionenausbreitung durch Elektroden- und Elektrolytgrenzflächen kann auch die Ausbreitung von Helium-Natrium-Ionen visualisiert werden. Diese Methode zur Analyse der Eignung bestimmter Beschichtungen auf der Grundlage eines einfachen In-situ-TEM wird sicherlich die Auswahl idealer Anoden-, Kathoden- und Elektrolytbeschichtungen und damit die Kommerzialisierung von Festkörperbatterien beschleunigen.