Cribado de recubrimientos para una batería de estado sólido utilizando microscopía electrónica de transmisión in situ

Los recubrimientos de electrodos y electrolitos son fundamentales para garantizar la estabilidad de la batería de estado sólido y el rendimiento a largo plazo. Nuestro método de cribado, basado en un simple estudio TEM in situ, nos ayuda a determinar el material de recubrimiento ideal, el espesor del recubrimiento, el recubrimiento de una o varias capas, así como los procedimientos de recubrimiento base. Los recubrimientos se aplican sobre nanopartículas de silicio.

El conocido cambio drástico de volumen de silicio durante la litiación y la delithiación nos permite rastrear la litiación y la delithiación a través del recubrimiento con un aumento relativamente bajo y, por lo tanto, a una tasa de dosis de electrones baja, lo que garantiza que no haya daños en el haz de electrones. Hoy, el Dr. Junbeom Park, investigador postdoctoral de mi grupo, demostrará el procedimiento. El Dr. Janghyun Jo, investigador postdoctoral del Instituto ER-C, también ayudará a demostrar el procedimiento.

Para comenzar, prepare una rejilla TEM de medio corte colocando las rejillas TEM de tres milímetros con espuma de encaje en un portaobjetos de vidrio limpio. Luego, corte la rejilla TEM en cuadrículas a medio cortar con una cuchilla de afeitar. A continuación, disperse las nanopartículas de silicio recubiertas de dióxido de titanio en acetona y coloque el fundido en una de las rejillas TEM de medio corte con una pipeta.

Corte un alambre de tungsteno con una pinza en trozos pequeños con una longitud de 0.5 a 1 centímetro. Después de mezclar los dos componentes del pegamento conductor en el vidrio deslizante limpio, pegue el alambre de tungsteno en la rejilla de medio corte con pegamento conductor. Luego, cure el pegamento conductor secándolo a temperatura ambiente en un lugar seguro durante cuatro horas.

Corte el alambre de tungsteno con una pinza en trozos pequeños con una longitud de aproximadamente dos centímetros y monte el alambre de tungsteno en la máquina de electropulido. Mezcle el 50% de 1.3 moles por litro de hidróxido de sodio y el 50% de etanol en un vaso de precipitados de 10 mililitros. Establezca el rango móvil adecuado de un contraelectrodo para transportar el electrolito desde el vaso de precipitados.

Aplique el voltaje hasta que el alambre de tungsteno se corte en dos piezas, lo que resulta en dos agujas de tungsteno afiladas. Luego, cargue la aguja de tungsteno preparada en el cabezal de la sonda. Inserte el cabezal de sonda cargado con aguja de tungsteno en el soporte TEM in situ con la rejilla TEM semicortada y la pequeña bolsa de guantes de fundición y chorro pequeño en la guantera de argón.

Raye el metal de litio con el cabezal de sonda de aguja de tungsteno preparado y monte la aguja de tungsteno cargada con litio en el soporte TEM in situ. Coloque el soporte TEM ensamblado in situ en una pequeña bolsa de guantes. Después de cerrar la pequeña bolsa de guantes, retírela de la guantera.

Selle alrededor del goniómetro TEM vacío con una bolsa de guantes grande y coloque la bolsa de guante pequeña cerrada que contiene el soporte TEM ensamblado in situ en la bolsa de guante grande. Bombee y purgue la bolsa de guantes grande con un gas inerte más de tres veces. Luego, abra la bolsa pequeña e inserte el soporte TEM ensamblado in situ.

Tenga en cuenta que la ligera exposición al aire forma una capa de óxido de litio en el litio. Esta capa de óxido de litio actúa como el electrolito sólido. A continuación, conecte los cables entre el soporte TEM in situ, su unidad de control y la fuente de corriente de voltaje.

Encuentra la cuadrícula TEM de medio corte. Luego, mueva el goniómetro para colocar la rejilla a la posición eucéntrica del TEM. A continuación, encuentre la aguja de tungsteno con el litio recubierto de óxido de litio.

Ejecute la etapa TEM tambaleándose. Después de ubicar la aguja a la altura eucéntrica mediante el movimiento brusco del soporte in situ, mueva la aguja cerca de la rejilla mediante el movimiento XY grueso del soporte, y a medida que la aguja se acerca a la rejilla, aumenta la ampliación. Mueva la aguja hacia adelante a la rejilla para hacer contacto físico entre el litio recubierto de óxido de litio y las nanopartículas de silicio recubiertas de dióxido de titanio mediante el movimiento fino del cabezal de la sonda piezoeléctrica del soporte in situ.

Establezca la ampliación adecuada y la tasa de dosis del haz de electrones. Luego, aplique un voltaje entre las nanopartículas de silicio y el litio utilizando la fuente de voltaje actual y capture la serie de imágenes para registrar los procesos de litiación y delithiación a través de la capa de recubrimiento. Primero, cargue la imagen TEM.

A continuación, seleccione la herramienta de selección de polígonos y dibuje un polígono en la partícula de destino. Luego, mida el área del polígono dibujado y compare el área medida entre varias imágenes TEM para estimar el cambio en el área en diferentes puntos durante el proceso de litiación y delithiación. Se obtuvieron imágenes TEM de litiación sobre partículas de silicio recubiertas de dióxido de titanio.

El recubrimiento de cinco nanómetros muestra que se produjo una expansión significativa en toda el área y el recubrimiento no se rompió durante una gran expansión. En el caso del recubrimiento de 10 nanómetros, se produjo una expansión relativamente pequeña incluso durante un tiempo de litiación más largo y el recubrimiento se rompió después de dos minutos. Durante la litiación, la caja de recubrimiento de cinco nanómetros mostró alrededor del doble de expansión de área, mientras que la caja de recubrimiento de 10 nanómetros mostró solo 1.2 veces la expansión de área, lo que demuestra que la tasa de expansión fue seis veces más rápida en el caso de la caja de recubrimiento de cinco nanómetros.

Se requiere un espesor apropiado de la capa de óxido de litio para un experimento exitoso, por lo tanto, controlar la cantidad de exposición al aire es un paso crítico. Siguiendo este procedimiento de fabricación de micro-baterías dentro de la propagación de iones helio-sodio a través de interfaces de electrodos y electrolitos también se puede visualizar. Este método de análisis de la idoneidad de recubrimientos particulares basado en un TEM simple in situ sin duda acelerará la selección de recubrimientos ideales de ánodos, cátodos y electrolitos y, por lo tanto, la comercialización de baterías de estado sólido.