Ion enfocado viga fabricación de Nanobatteries LiPON basado en estado sólido-ion de litio para la prueba In Situ

El objetivo general de este experimento es utilizar un sistema de haz de iones centrado en el haz dual para preparar nanobaterías de película delgada electroquímicamente activas, todas de estado sólido, para el ciclo electroquímico in situ. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la electroquímica de estado sólido, descubriendo la naturaleza de las interfaces sólido-sólido enterradas, incluida su estabilidad termodinámica y electroquímica durante el ciclo. La principal ventaja de esta técnica in situ es que la nanobatería nunca está expuesta a factores externos, lo que permite una visión sin obstáculos de los procesos dinámicos que limitan el funcionamiento de la batería de estado sólido.

La preparación de la primera sección transversal de una batería de película delgada por parte del grupo Tarascon nos inspiró a ir más allá y fabricar una nanobatería electroquímicamente activa que permite la caracterización in situ. Comience preparando una muestra para el experimento. Este es un ejemplo de una batería de película delgada utilizada para el protocolo.

Las capas activas de la batería se encuentran en una región de dos milímetros de diámetro sobre un sustrato aluminoso. Los detalles de su estructura se proporcionan en este esquema. El sustrato es óxido de aluminio.

Encima de eso, hay un colector de corriente de cátodo de platino, seguido de un cátodo de óxido de litio y cobalto. A continuación, hay un electrolito de oxinitruro de fósforo y litio, un ánodo de silicona amorfa y un colector de corriente de ánodo de cobre. El experimento requiere un microscopio electrónico de barrido dual y un instrumento de haz de iones enfocados.

Debe estar equipado con un micromanipulador. Otro instrumento requerido es un potenciostato de baja corriente. Conecte el cable del cátodo del potenciostato a la platina a través de un paso eléctrico blindado.

Internamente, conecte el paso a la platina con un cable blindado con una punta expuesta. Utilice el potenciostato en modo de corriente constante para realizar una prueba de ruido de baja corriente del cir de paso. Al revisar los datos, la resolución actual debe ser inferior a un picoamperio, como en este ejemplo.

Ahora conecte el cable del ánodo del potenciostato al cable de tierra del micromanipulador. Aquí están las conexiones eléctricas en este punto del protocolo. Tenga en cuenta que la muestra aún no está montada.

Introduzca una rejilla de extracción TEM de cobre en la cámara. La rejilla debe ser conductora y tener dedos para montar la nanobatería. Cuando se monta por primera vez, los dedos de la rejilla deben estar paralelos al haz de electrones.

En esta configuración, hay un ángulo de 52 grados entre el haz de electrones y el de iones. Aplique cinta de carbón de doble cara en un trozo de microscopía electrónica de barrido de 25 milímetros y, a continuación, monte la batería en la cinta, con el lado aluminoso hacia abajo. Aplique cinta conductora para conectar eléctricamente el colector de corriente al muñón.

En este punto, monte el trozo con batería en la configuración de doble haz. Aquí están el muñón y la batería en la cámara, listos para el experimento. Para continuar, comience a bombear el sistema hacia abajo.

Cuando esté listo, encienda los haces de electrones e iones. Cuando está cargado, el colector de corriente de la batería es normal a la dirección del haz de electrones. Incline la muestra de modo que el haz de iones sea normal al colector de corriente de la batería.

Establezca el voltaje del haz de iones y el tiempo de permanencia de los píxeles del haz de iones durante la duración del experimento. Comience con el colector actual. Seleccione una región de 20 micrómetros por dos micrómetros.

A continuación, utilice el haz de iones enfocado para depositar de 1,5 a dos micrómetros de platino organometálico. A continuación, trabaje con la pila de batería de película delgada alrededor del depósito de platino. Prepárese para fresar un rectángulo con una profundidad de un micrómetro por debajo de la capa de película activa.

Utilice una opción de fresado de haz de iones enfocado de sección transversal de patrón escalonado para fresar. Muele una región simétrica al otro lado del depósito de platino para definir la nanobatería. A continuación, utilice un procedimiento de limpieza de sección transversal en ambas regiones para exponer claramente la estructura en capas.

Ahora, incline la batería hacia atrás para que su colector de corriente mire hacia el haz de electrones. El lado de la nanobatería ahora es accesible para el haz de iones. Utilice muescas rectangulares creadas en cortes en J paralelos para aislar la mayor parte de la nanobatería.

Luego, gire la batería 180 grados para exponer la parte posterior de la batería. Repita los pasos de fresado de los muescas para aislar la parte inferior y los lados de la nanobatería. Para los siguientes pasos, vuelva a girar la muestra 180 grados.

En este punto, inserte el conjunto de micromanipuladores en la posición de estacionamiento. Mueva lentamente el micromanipulador al platino de la nanobatería y póngalo en contacto. Prepárese para fijar el micromanipulador a la región de platino de la batería.

Use el haz de iones para depositar platino para fijar los dos. Una vez que el micromanipulador esté conectado, trabaje para quitar la nanobatería de la muestra. Identifique la última parte conectada de la nanobatería para el fresado.

Molino de iones esta región para separarla de la muestra. Levante la nanobatería verticalmente con el micromanipulador. Mueva la nanobatería a la rejilla de extracción de cobre.

Coloque la nanobatería en contacto con la rejilla de extracción y prepárese para montarla allí. Utilice el haz de iones para depositar dos micrómetros de platino para fijarlo en su lugar. Esta es una vista diferente de la nanobatería en la rejilla de elevación.

A continuación, trabaje para separar el micromanipulador. Organice para fresar la conexión entre él y la nanobatería. Elimina la conexión entre el micromanipulador y la nanobatería.

Mueva el micromanipulador para dejar una nanobatería montada conectada a la rejilla de cobre. Para los siguientes pasos, incline la platina de modo que el haz de iones quede paralelo a la sección transversal de la nanobatería. Cerca del borde montado de la nanobatería, utilice un procedimiento de limpieza en una sección de cinco micrómetros de ancho.

El procedimiento de limpieza consiste en exponer una visión clara de las capas electroquímicamente activas. A continuación, prepárese para crear un contacto eléctrico entre el colector de corriente del cátodo y la rejilla de cobre. Con un haz de iones enfocado, deposite platino de 500 nanómetros de espesor para conectar los dos.

Estas imágenes muestran el efecto del paso de deposición desde un ángulo diferente. Aquí está la nanobatería antes de la deposición. El platino es evidente en esta imagen desde después de la deposición.

Prepárese para usar el haz de iones para eliminar un segmento de tres micrómetros de ancho del ánodo, el colector de corriente del ánodo y el electrolito. La eliminación del segmento aísla estos elementos de la rejilla de cobre. Esta es una vista alternativa de la nanobatería después de este paso.

Aislar el ánodo y el colector de corriente del ánodo antes de hacer contacto eléctrico es el paso más crucial descrito en el protocolo. Sin la conexión y el aislamiento adecuados, la nanobatería se cortocircuitará y no realizará un ciclo. A continuación, incline la platina para utilizar el haz de iones para aplicar cuidadosamente secciones transversales de limpieza rectangulares a los lados de la nanobatería para eliminar el material redepositado.

Después de la limpieza, las capas individuales son claramente visibles. Conecte el micromanipulador y póngalo en contacto con el platino sobre el colector de ánodos. Deposite platino de 0,2 nanómetros de espesor con el haz de iones para conectar el micromanipulador y el colector de corriente.

Ahora, en los controles de potenciostato, configure los parámetros actuales y ejecute el potenciostato en modo de ciclo galvanostático para realizar el ciclo in situ. Esta curva representa el perfil de carga electroquímica de una nanobatería fabricada con haz de iones focalizados con una densidad de corriente de 50 microamperios por centímetro cuadrado, mostrando una capacidad de 12,5 microamperios hora por centímetro cuadrado. Una curva diferente con una densidad de corriente más alta de 1,25 miliamperios por centímetro cuadrado da como resultado una capacidad de 105 microamperios hora por centímetro cuadrado.

Ambas curvas muestran una meseta de 3,6 voltios. Estos son los perfiles de carga y descarga de nanobaterías para una densidad de corriente de 60 microamperios por centímetro cuadrado. La capacidad de carga se limitó a 30 minutos.

La capacidad de descarga estaba limitada a dos voltios. Esto demuestra una reversibilidad de alrededor del 35%Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en tres horas si se realiza correctamente, aunque hay que tener en cuenta que la duración del ciclismo puede extenderse tanto como se desee. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe evitar imágenes innecesarias con el haz de electrones o con el haz de iones, ya que esto puede dañar el dispositivo.

Una vez demostrada la fabricación de una nanobatería electroquímicamente activa, se pueden transferir nanobaterías similares a un soporte de ciclo TEM in situ para un análisis más exhaustivo de las interfaces durante el ciclo. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo extraer una sección transversal de una batería de película delgada y cómo fabricar una nanobatería electroquímicamente activa dentro de un FIB de doble haz.