Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for <em>In Situ </em>Testing

Jungwoo Z. Lee; Thomas A. Wynn; Ying Shirley Meng; Dhamodaran Santhanagopalan

doi:10.3791/56259

יון ממוקדת קרן פבריקציה נוספת של Nanobatteries המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום בחיי עיר

JoVE Journal
Engineering

This content is Free Access.

JoVE Journal Engineering

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

יון ממוקדת קרן פבריקציה נוספת של Nanobatteries המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום בחיי עיר בדיקה

Full Text

10,754 Views

10:58 min

March 7, 2018

DOI: 10.3791/56259-v

Jungwoo Z. Lee*¹, Thomas A. Wynn*², Ying Shirley Meng^1,2, Dhamodaran Santhanagopalan³

¹Department of NanoEngineering,University of California San Diego, ²Materials Science and Engineering Program,University of California San Diego, ³Amrita Centre for Nanosciences and Molecular Medicine,Amrita Vishwa Vidyapeetham University

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This article presents a protocol for fabricating electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam. The method allows for in situ electrochemical cycling, providing insights into solid-state electrochemistry.

Key Study Components

Area of Science

Solid-state electrochemistry
Nanobattery fabrication
Focused ion beam technology

Background

Solid-state batteries offer advantages over traditional lithium-ion batteries.
Understanding solid-solid interfaces is crucial for improving battery performance.
In situ techniques minimize external influences during experimentation.
The Tarascon group's work laid the groundwork for this research.

Purpose of Study

To fabricate a nanobattery for in situ characterization.
To explore the thermodynamic and electrochemical stability of solid-state interfaces.
To enhance understanding of dynamic processes in solid-state battery operation.

Methods Used

Utilization of a dual beam-focused ion beam system.
Preparation of a thin film battery on an aluminum oxide substrate.
Electrical connections using a low-current potentiostat.
Focused ion beam milling to define and isolate the nanobattery structure.

Main Results

Successful fabrication of an electrochemically active nanobattery.
In situ characterization revealed insights into the layered structure.
Demonstrated effective electrical contact between components.
Provided a clear view of the electrochemically active layers.

Conclusions

The protocol enables detailed study of solid-state battery dynamics.
In situ techniques can significantly advance solid-state electrochemistry.
Future research can build on these findings to improve battery technologies.

Frequently Asked Questions

What is the main advantage of using a focused ion beam?

The focused ion beam allows for precise milling and fabrication of nanostructures without exposing them to external factors.

How does this method contribute to battery research?

It provides insights into the stability and dynamics of solid-state interfaces during electrochemical cycling.

What materials are used in the nanobattery fabrication?

The nanobattery includes lithium cobalt oxide, lithium phosphorus oxynitride, and platinum among other materials.

What is the significance of in situ characterization?

In situ characterization allows researchers to observe the battery's behavior under operational conditions without external interference.

What are the potential applications of this research?

The findings can lead to advancements in solid-state battery technologies, improving energy storage solutions.

פרוטוקול להרכבת electrochemically הפעיל המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום nanobatteries באמצעות קרן יון ממוקד מוצג.

המטרה הכוללת של ניסוי זה היא להשתמש במערכת אלומת יונים ממוקדת קרן כפולה כדי להכין ננו-סוללות פעילות אלקטרוכימית, כולן במצב מוצק, סרט דק למחזור אלקטרוכימי באתר. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום האלקטרוכימיה של מצב מוצק, ולחשוף את טבעם של ממשקים מוצקים-מוצקים קבורים, כולל יציבותם התרמודינמית והאלקטרוכימית במהלך המחזור. היתרון העיקרי של טכניקה זו באתרה הוא שהננו-סוללה לעולם אינה חשופה לגורמים חיצוניים, מה שמאפשר מבט ללא הפרעה על התהליכים הדינמיים המגבילים את פעולת סוללת המצב המוצק.

הכנת חתך הסוללה הראשון של סרט דק על ידי קבוצת Tarascon נתנה לנו השראה ללכת רחוק יותר ולייצר ננו-סוללה פעילה אלקטרוכימית המאפשרת אפיון באתר. התחל בהכנת דגימה לניסוי. זוהי דוגמה לסוללת סרט דק המשמשת לפרוטוקול.

השכבות הפעילות של הסוללה נמצאות באזור בקוטר שני מילימטר על מצע אלומיניום. פרטים על מבנהו מסופקים בסכימה זו. המצע הוא תחמוצת אלומיניום.

מעל זה, יש אספן זרם קתודה פלטינה, ואחריו קתודה תחמוצת ליתיום קובלט. לאחר מכן, יש אלקטרוליט ליתיום זרחן אוקסיניטריד, אנודת סיליקון אמורפית ואספן זרם אנודה נחושת. הניסוי דורש מיקרוסקופ אלקטרונים סורק כפול ומכשיר קרן יונים ממוקד.

זה צריך להיות מצויד במיקרומניפולטור. מכשיר נדרש נוסף הוא פוטנציוסטט זרם נמוך. חבר את כבל הקתודה של הפוטנציוסטט ל-stagדרך הזנה חשמלית מסוככת.

פנימית, חבר את ההזנה לבמה עם חוט מוגן עם קצה חשוף. השתמש בפוטנציוסטט במצב זרם קבוע כדי לבצע בדיקת רעש בזרם נמוך של סיר ההזנה. בסקירת הנתונים, הרזולוציה הנוכחית צריכה להיות פחות מפיקואמפ, כמו בדוגמה זו.

כעת חבר את כבל האנודה של הפוטנציוסטט לכבל ההארקה של המיקרומניפולטור. להלן החיבורים החשמליים בשלב זה בפרוטוקול. שים לב שהדוגמה עדיין לא מותקנת.

הכניסו רשת הרמה מנחושת TEM לתא. הרשת צריכה להיות מוליכה ובעלת אצבעות להרכיב עליה את הננו-סוללה. כאשר הרכבה ראשונה, אצבעות הרשת צריכות להיות מקבילות לאלומת האלקטרונים.

במערך זה, יש זווית של 52 מעלות בין האלקטרון לקרן היונים. החל סרט פחמן דו צדדי על בדל מיקרוסקופ אלקטרונים סורק 25 מילימטר, ולאחר מכן התקן את הסוללה על הסרט, כשהצד האלומיניום כלפי מטה. החל סרט מוליך כדי לחבר חשמלית את אספן הזרם לגבעול.

בשלב זה, התקן את הבדל עם הסוללה לתוך מערך הקורה הכפולה. הנה הבדל והסוללה בתא, מוכנים לניסוי. כדי להמשיך, התחל לשאוב את המערכת כלפי מטה.

כשתהיה מוכן, הפעל את קרני האלקטרונים והיונים. כאשר הוא נטען, קולט הזרם של הסוללה תקין לכיוון אלומת האלקטרונים. הטה את הדגימה כך שקרן היונים תהיה תקינה לקולט הנוכחי של הסוללה.

הגדר את מתח קרן היונים ואת זמן השהייה של פיקסל קרן היונים למשך הניסוי. התחל עם הקולט הנוכחי. בחר אזור של 20 מיקרומטר על שני מיקרומטר.

לאחר מכן, השתמש בקרן היונים הממוקדת כדי להפקיד 1.5 עד שני מיקרומטר של פלטינה אורגנו-מתכתית. לאחר מכן, עבדו עם ערימת סוללות הסרט הדק סביב משקע הפלטינה. התכוננו לטחון מלבן בעומק מיקרומטר אחד מתחת לשכבת הסרט הפעילה.

השתמש באפשרות כרסום קרן יונים ממוקדת בחתך צעד כדי לטחון. טחנו אזור סימטרי בצד השני של מרבץ הפלטינה כדי להגדיר את הננו-סוללה. לאחר מכן, השתמש בהליך ניקוי חתך בשני האזורים כדי לחשוף בבירור את מבנה השכבות.

כעת, הטה את הסוללה לאחור כך שהקולט הנוכחי שלה יפנה לאלומת האלקטרונים. הצד של הננו-סוללה נגיש כעת לקרן היונים. השתמש בחיתוכים מלבניים שנוצרו בחיתוכי J מקבילים כדי לבודד את רוב הננו-סוללה.

לאחר מכן, סובב את הסוללה ב-180 מעלות כדי לחשוף את גב הסוללה. חזור על שלבי הכרסום עבור החתכים התחתונים כדי לבודד את החלק התחתון והדפנות של הננו-סוללה. לשלבים הבאים, סובב את הדגימה שוב ב-180 מעלות.

בשלב זה, הכנס את המיקרומניפולטור המוגדר במצב הפארק. העבר לאט את המיקרומניפולטור לפלטינה על הננו-סוללה, והבא אותו למגע. התכוננו לתקן את המיקרומניפולטור לאזור הפלטינה של הסוללה.

השתמש בקרן היונים כדי להפקיד פלטינה כדי לתקן את השניים. לאחר חיבור המיקרומניפולטור, פעל להסרת הננו-סוללה מהדגימה. זהה את החלק המחובר האחרון של הננו-סוללה לכרסום.

טחנת יונים באזור זה כדי להפריד אותו מהדגימה. הרם את הננו-סוללה אנכית עם המיקרומניפולטור. העבר את הננו-סוללה לרשת ההרמה הנחושת.

הנח את הננו-סוללה במגע עם רשת ההרמה, והתכונן להרכיב אותה שם. השתמש בקרן היונים כדי להפקיד שני מיקרומטר של פלטינה כדי לקבע אותה במקומה. זוהי תצוגה שונה של הננו-סוללה ברשת ההרמה.

לאחר מכן, עבדו כדי לנתק את המיקרומניפולטור. סדר לטחון את החיבור בינו לבין הננו-סוללה. כרסום יונים את החיבור בין המיקרומניפולטור לננו-סוללה.

הזז את המיקרומניפולטור כדי להשאיר ננו-סוללה מותקנת מחוברת לרשת הנחושת. עבור השלבים הבאים, הטה את הבמה כך שקרן היונים תהיה מקבילה לחתך הננו-סוללה. ליד הקצה המותקן של הננו-סוללה, השתמש בהליך ניקוי על פני קטע ברוחב חמישה מיקרומטר.

הליך הניקוי הוא לחשוף תצוגה ברורה של השכבות הפעילות מבחינה אלקטרוכימית. לאחר מכן, התכוננו ליצירת מגע חשמלי בין אספן זרם הקתודה לרשת הנחושת. בעזרת קרן יונים ממוקדת, הפקידו פלטינה בעובי 500 ננומטר כדי לחבר בין השניים.

תמונות אלה מציגות את ההשפעה של שלב התצהיר מזווית אחרת. הנה הננו-סוללה לפני התצהיר. הפלטינה ניכרת בתמונה זו לאחר התצהיר.

התכוננו להשתמש בקרן היונים כדי להסיר קטע ברוחב שלושה מיקרומטר של האנודה, אספן זרם האנודה והאלקטרוליט. הסרת הקטע מבודדת את האלמנטים הללו מרשת הנחושת. זוהי תצוגה חלופית של הננו-סוללה לאחר שלב זה.

בידוד האנודה ואספן זרם האנודה לפני יצירת מגע חשמלי הוא השלב המכריע ביותר המתואר בפרוטוקול. ללא חיבור ובידוד מתאימים, הננו-סוללה תתקצר ולא תחזור. לאחר מכן, הטה את ה-stage כדי להשתמש בקרן היונים כדי להחיל בזהירות חתכי ניקוי מלבניים על דפנות הננו-סוללה כדי להסיר חומר שהופקד מחדש.

לאחר הניקוי, השכבות הבודדות נראות בבירור. הפעל את המיקרומניפולטור והכנס אותו למגע עם הפלטינה מעל אספן האנודה. הפקידו פלטינה בעובי 0.2 ננומטר עם קרן היונים כדי לחבר את המיקרומניפולטור ואספן הזרם.

כעת, בפקדי הפוטנציוסטט, הגדר את הפרמטרים הנוכחיים והפעל את הפוטנציוסטט במצב רכיבה גלוונוסטטית כדי לבצע רכיבה באתר. עקומה זו מייצגת את פרופיל הטעינה האלקטרוכימי של ננו-סוללה המיוצרת על ידי קרן יונים ממוקדת עם צפיפות זרם של 50 מיקרו-אמפר לסנטימטר מרובע, המציגה קיבולת של 12.5 מיקרו-אמפר שעות לסנטימטר מרובע. עקומה שונה עם צפיפות זרם גבוהה יותר של 1.25 מיליאמפר לסנטימטר רבוע מביאה לקיבולת של 105 מיקרואמפר שעות לסנטימטר מרובע.

שתי העקומות מדגימות רמה של 3.6 וולט. להלן פרופילי הטעינה והפריקה של ננו-סוללות לצפיפות זרם של 60 מיקרו-אמפר לסנטימטר מרובע. קיבולת הטעינה הוגבלה ל-30 דקות.

קיבולת הפריקה הוגבלה לשני וולט. זה מדגים הפיכות של כ-35%לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שלוש שעות אם היא מבוצעת כראוי, אם כי יש לזכור שאורך הרכיבה יכול להימשך כל עוד תרצה. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור להימנע מהדמיה מיותרת עם קרן ה-E או קרן היונים, מכיוון שהדבר עלול לגרום נזק למכשיר.

לאחר שהדגמנו את הייצור של ננו-סוללה פעילה אלקטרוכימית, ניתן להעביר ננו-סוללות דומות למחזיק רכיבה על אופניים TEM באתרו לניתוח מקיף יותר של הממשקים במהלך הרכיבה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לחלץ חתך רוחב של סוללת סרט דק וכיצד לייצר ננו-סוללה פעילה אלקטרוכימית בתוך FIB עם קרן כפולה.