Criblage de revêtements pour une batterie entièrement à semi-conducteurs utilisant la microscopie électronique à transmission in situ

Les revêtements d’électrodes et d’électrolytes sont essentiels pour assurer la stabilité de la batterie à semi-conducteurs et les performances à long terme. Notre méthode de criblage, basée sur une simple étude TEM in situ, nous aide à déterminer le matériau de revêtement idéal, l’épaisseur du revêtement, le revêtement monocouche ou multicouche, ainsi que les procédures de revêtement de base. Les revêtements sont appliqués sur des nanoparticules de silicium.

Le changement de volume drastique bien connu du silicium pendant la lithiation et le délélithiation nous permet de suivre la lithiation et la délélithiation à travers le revêtement à un grossissement relativement faible et donc, à un faible débit de dose d’électrons, ce qui garantit l’absence de dommages au faisceau d’électrons. Aujourd’hui, le Dr Junbeom Park, chercheur postdoctoral de mon groupe, fera la démonstration de la procédure. Le Dr Janghyun Jo, chercheur postdoctoral de l’Institut ER-C, aidera également à démontrer la procédure.

Pour commencer, préparez une grille TEM à moitié coupée en plaçant les grilles TEM de trois millimètres avec de la mousse de dentelle sur une lame de verre propre. Ensuite, coupez la grille TEM en grilles demi-coupées avec une lame de rasoir. Ensuite, dispersez les nanoparticules de silicium recouvertes de dioxyde de titane en acétone et déposez la coulée sur l’une des grilles TEM demi-coupées à l’aide d’une pipette.

Couper un fil de tungstène à l’aide d’une pince en petits morceaux d’une longueur de 0,5 à 1 centimètre. Après avoir mélangé les deux composants de la colle conductrice sur le verre coulissant propre, collez le fil de tungstène sur la grille demi-coupée avec de la colle conductrice. Ensuite, durcissez la colle conductrice en la séchant à température ambiante dans un endroit sûr pendant quatre heures.

Coupez le fil de tungstène à l’aide d’une pince en petits morceaux d’une longueur d’environ deux centimètres et montez le fil de tungstène sur la machine d’électropolissage. Mélanger 50% de 1,3 moles par litre d’hydroxyde de sodium et 50% d’éthanol dans un bécher de 10 millilitres. Réglez la plage mobile appropriée d’une contre-électrode pour transporter l’électrolyte du bécher.

Appliquez la tension jusqu’à ce que le fil de tungstène soit coupé en deux morceaux, ce qui donne deux aiguilles de tungstène tranchantes. Ensuite, chargez l’aiguille en tungstène préparée sur la tête de la sonde. Insérez la tête de sonde chargée d’aiguille en tungstène dans le support TEM in situ avec la grille TEM à moitié coupée et le petit sac à gants dans la boîte à gants en argon.

Grattez le lithium métal avec la tête de sonde d’aiguille en tungstène préparée et montez l’aiguille en tungstène chargée de lithium sur le support TEM in situ. Placez le support TEM in situ assemblé dans un petit sac à gants. Après avoir fermé le petit sac à gants, retirez-le de la boîte à gants.

Sceller autour du goniomètre TEM vide avec un grand sac à gants et placer le petit sac à gants fermé contenant le porte-TEM in situ assemblé dans le grand sac à gants. Pompez et purgez le grand sac à gants avec un gaz inerte plus de trois fois. Ensuite, ouvrez le petit sac et insérez le support TEM in situ assemblé.

Notez que la légère exposition à l’air forme une couche d’oxyde de lithium sur le lithium. Cette couche d’oxyde de lithium agit comme l’électrolyte solide. Ensuite, connectez les câbles entre le support TEM in situ, son unité de commande et la source de courant de tension.

Trouvez la grille TEM à moitié coupée. Ensuite, déplacez le goniomètre pour placer la grille à la position eucentrique du TEM. Ensuite, trouvez l’aiguille de tungstène avec le lithium enduit d’oxyde de lithium.

Exécutez la scène TEM en vacillant. Après avoir localisé l’aiguille à la hauteur eucentrique par un mouvement grossier du support in situ, déplacez l’aiguille près de la grille par un mouvement XY grossier du support, et à mesure que l’aiguille se rapproche de la grille, le grossissement augmente. Déplacez l’aiguille vers l’avant vers la grille pour établir un contact physique entre le lithium recouvert d’oxyde de lithium et les nanoparticules de silicium recouvertes de dioxyde de titane par le mouvement fin de la tête de sonde piézoélectrique du support in situ.

Régler le grossissement et le débit de dose du faisceau d’électrons appropriés. Ensuite, appliquez une tension entre les nanoparticules de silicium et le lithium en utilisant la source de tension actuelle et capturez la série d’images pour enregistrer les processus de lithiation et de délélithiation à travers la couche de revêtement. Tout d’abord, chargez l’image TEM.

Ensuite, sélectionnez l’outil de sélection de polygones et dessinez un polygone vers la particule cible. Ensuite, mesurez la surface du polygone dessiné et comparez la surface mesurée parmi diverses images TEM pour estimer le changement dans la zone à différents points du processus de lithiation et de déélithiation. Des images TEM de lithiation sur des particules de silicium recouvertes de dioxyde de titane ont été obtenues.

Le revêtement de cinq nanomètres montre qu’une expansion significative s’est produite dans toute la zone et que le revêtement n’a pas été brisé lors d’une expansion énorme. Dans le cas d’un revêtement de 10 nanomètres, une expansion relativement faible s’est produite même pendant un temps de lithiation plus long et le revêtement a été brisé après deux minutes. Au cours de la lithiation, le boîtier de revêtement de cinq nanomètres a montré environ deux fois l’expansion surfacique, tandis que le boîtier de revêtement de 10 nanomètres n’a montré que 1,2 fois l’expansion surfacique, démontrant que le taux d’expansion était six fois plus rapide dans le cas du boîtier de revêtement de cinq nanomètres.

Une épaisseur appropriée de la couche d’oxyde de lithium est nécessaire pour une expérience réussie, ainsi, le contrôle de la quantité d’exposition à l’air est une étape critique. La poursuite de cette procédure de fabrication de micro-batteries à l’intérieur de la propagation des ions hélium-sodium à travers des interfaces d’électrode et d’électrolyte peut également être visualisée. Cette méthode d’analyse de la pertinence de revêtements particuliers basée sur un simple TEM in situ accélérera certainement la sélection de revêtements d’anode, de cathode et d’électrolyte idéaux et donc la commercialisation de batteries entièrement à semi-conducteurs.