יון ממוקדת קרן פבריקציה נוספת של Nanobatteries המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום בחיי עיר בדיקה
7 במרץ 2018
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.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לייצור ננו-סוללות ליתיום-יון במצב מוצק המבוססות על LiPON הפעיל אלקטרוכימית, באמצעות קרן יונים ממוקדת. שיטה זו מאפשרת ביצוע מחזורי אלקטרוכימיה in situ, המספקים תובנות לגבי אלקטרוכימיה של מצב מוצק.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- אלקטרוכימיה במצב מוצק
- ייצור ננו-סוללות
- טכנולוגיית קרן יונים ממוקדת
רקע
- סוללות במצב מוצק מציעות יתרונות על פני סוללות ליתיום-יון מסורתיות.
- הבנת ממשקים מסוג מוצק-מוצק היא קריטית לשיפור ביצועי הסוללה.
- טכניקות in situ מצמצמות השפעות חיצוניות במהלך הניסוי.
- עבודתם של קבוצת Tarascon הניחה את היסודות למחקר זה.
מטרת המחקר
- להבניית ננו-סוללה לצורך מאפיינים in situ.
- לבחינת היציבות התרמודינמית והאלקטרוכימית של ממשקים במצב מוצק.
- לשיפור ההבנה של תהליכים דינמיים בפעולתן של סוללות במצב מוצק.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש במערכת אלומת יונים ממוקדת בעלת כורה כפולה (dual beam).
- הכנת סוללת שכבה דקה על מצע אלומינית.
- חיבורים חשמליים באמצעות פוטנציוסטט לזרם נמוך.
- כרסום באמצעות אלומת יונים ממוקדת להגדרה ובידוד של מבנה הננו-סוללה.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של ננו-סוללה פעילה אלקטרוכימית.
- אפיון in situ חשף תובנות לגבי המבנה השכבתי.
- הוכח מגע חשמלי יעיל בין הרכיבים.
- סופקה תצפית ברורה של השכבות הפעילות אלקטרוכימית.
מסקנות
- הפרוטוקול מאפשר מחקר מפורט של דינמיקת סוללות במצב מוצק.
- טכניקות in situ יכולות לקדם משמעותית את האלקטרוכימיה של מצב מוצק.
- מחקרים עתידיים יכולים להתבסס על ממצאים אלו לשיפור טכנולוגיות סוללות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
פרוטוקול זה מאפשר תצפית ישירה על ממשקים מוצק-מוצק קבורים בסוללות במצב מוצק, ובכך נותן מענה לבקע קריטי בפיתוח סוללות. על ידי ייצור ננו-סוללות פעילות אלקטרוכימית באמצעות קרן יונים ממוקדת (focused ion beam), חוקרים יכולים לבחון את היציבות הבין-ממשקית ומנגנוני דגרדציה תחת תנאי הפעלה. יכולת זו תומכת בהסרת סיכונים מנגנונית במחקרי אחסון אנרגיה בשלבים מוקדמים, ומספקת מידע לבחירת חומרים ולאסטרטגיות תכנון עבור סוללות ליתיום-יון מהדור הבא.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של יציבות תרמודינמית ואלקטרוכימית בממשקים בין אלקטרודה לאלקטרוליט.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה לבדיקת היפותזות של תופעות ממשקיות ללא חשיפה חיצונית.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: יצירת ננו-סוללות פעילות אלקטרוכימית הניתנות לשחזור לצורך ניתוח ממשקי עקבי.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של הכנת הדגימות להערכה השוואתית של מועמדים לאלקטרוליט במצב מוצק.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בביטחון בחיזוי על ידי קישור התנהגות ממשק במימדי ננו לביצועי סוללה במקנה מיקרו.
- ערך תפעולי: מקל על המעבר מגילוי חומרים לתיקוף אב-טיפוס באמצעות נתוני מחזוריות in situ.
שילוב זרימות עבודה ופייפליין
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות לאפיון ממשקים בקנה מידה ננומטרי, המנחה את בחירת החומרים לפני מאמצי הגדלה (scale-up).
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות של יציבות ממשקים ונתיבי פירוק במערכות מצב מוצק.
- סינון: מספק פלטיים אלקטרוכימיים כמותיים (למשל, קיבולת, פרופילי מתח) לצורך השוואה בין שילובי חומרים.
- אנליטיקה: מספקת קריאות מבניות ואלקטרוכימיות ברזולוציה גבוהה כדי להסיק קשר בין מבנה לתפקוד.
- מחקר תרגומי: מקשר תצפיות ממשקיות למדדי ביצועי סוללה לצורך קבלת החלטות קידום מותאמות לסיכון.
- שימוש חוזר ארגוני: מכונן פלטפורמה לשימוש חוזר להערכת תצורות מרובות של סוללות מצב מוצק תחת תנאים זהים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי מתן אפשרות לתצפית ישירה על ממשקים קבורים במהלך סבבי טעינה ופריקה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות נהלי ייצור סטנדרטיים ב-FIB ונהלי יצירת מגעים חשמליים.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות לגבי המשך הפרויקט (go/no-go) על ידי אספקת תובנה מוקדמת לגבי מצבי כשל בממשק.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תיעדוף של חומרי אלקטרוליט במצב מוצק מותאם לסיכון, בהתבסס על נתוני יציבות ממשקית.
שיקולי יישום
- מומחיות בהפעלת קרן יונים ממוקדת (FIB) ובטכניקות של מניפולציה ננומטרית.
- גישה למערכת FIB בעלת קרן כפולה עם מיקרו-מניפולטור ופוטנציוסטט לזרם נמוך.
- סטנדרטיזציה של פרוטוקולי חיבור חשמלי למניעת קצרים בסוללה הננומטרית.
- שיקולי התאמה עבור ארכיטקטורות שונות של סוללות שכבה דקה ומערכות חומרים שונות.
- מגבלה: משך הפרוצדורה ונזק פוטנציאלי הנגרם מהקרן מחייבים אופטימיזציה קפדנית של הפרמטרים.
