Screening dei rivestimenti per una batteria a stato solido mediante microscopia elettronica a trasmissione in situ

I rivestimenti di elettrodi ed elettroliti sono fondamentali per garantire la stabilità della batteria allo stato solido e prestazioni a lungo termine. Il nostro metodo di vagliatura, basato su un semplice studio TEM in situ, ci aiuta a determinare il materiale di rivestimento ideale, lo spessore del rivestimento, il rivestimento monostrato o multistrato, nonché le procedure di rivestimento di base. I rivestimenti sono applicati su nanoparticelle di silicio.

Il noto drastico cambiamento di volume del silicio durante la litiazione e la delitiazione ci consente di tracciare la litiazione e la delithiation attraverso il rivestimento a un ingrandimento relativamente basso e, quindi, a una bassa dose di elettroni, che garantisce nessun danno al fascio di elettroni. Oggi, il Dr.Junbeom Park, un ricercatore post-dottorato del mio gruppo, dimostrerà la procedura. Anche il Dr.Janghyun Jo, ricercatore post-dottorato dell'ER-C Institute, aiuterà a dimostrare la procedura.

Per iniziare, prepara una griglia TEM tagliata a metà posizionando le griglie TEM da tre millimetri con schiuma di pizzo su un vetrino pulito. Quindi, tagliare la griglia TEM in griglie tagliate a metà con una lama di rasoio. Quindi, disperdere le nanoparticelle di silicio rivestite di biossido di titanio in acetone e far cadere il getto su una delle griglie TEM tagliate a metà con una pipetta.

Tagliare un filo di tungsteno usando un tronchesino in piccoli pezzi con una lunghezza da 0,5 a 1 centimetro. Dopo aver mescolato i due componenti della colla conduttiva sul vetro vetrino pulito, incollare il filo di tungsteno sulla griglia tagliata a metà con colla conduttiva. Quindi, polimerizzare la colla conduttiva asciugandola a temperatura ambiente in un luogo sicuro per quattro ore.

Tagliare il filo di tungsteno usando un tronchesino in piccoli pezzi con una lunghezza di circa due centimetri e montare il filo di tungsteno sulla macchina elettrolucidatrice. Mescolare il 50% di 1,3 moli per litro di idrossido di sodio e il 50% di etanolo in un becher da 10 millilitri. Impostare la gamma mobile corretta di un elettrodo contatore per trasportare l'elettrolita dal becher.

Applicare la tensione fino a quando il filo di tungsteno viene tagliato in due pezzi, risultando in due aghi di tungsteno affilati. Quindi, caricare l'ago di tungsteno preparato sulla testa della sonda. Inserire la testa della sonda caricata con ago di tungsteno nel supporto TEM in situ con la griglia TEM a goccia colata a metà e la piccola borsa portaoggetti nel vano portaoggetti di argon.

Gratta il litio metallico con la testa della sonda ad ago di tungsteno preparata e monta l'ago di tungsteno caricato al litio sul supporto TEM in situ. Mettere il supporto TEM assemblato in situ in una piccola borsa per guanti. Dopo aver chiuso il piccolo sacchetto per i guanti, rimuoverlo dal vano portaoggetti.

Sigillare attorno al goniometro TEM vuoto con un sacchetto per guanti grande e inserire il sacchetto per guanti piccolo chiuso contenente il supporto TEM in situ assemblato nella borsa per guanti grande. Pompare e spurgare il grande sacchetto di guanti con un gas inerte più di tre volte. Quindi, aprire la piccola borsa e inserire il supporto TEM in situ assemblato.

Si noti che la leggera esposizione all'aria forma uno strato di ossido di litio sul litio. Questo strato di ossido di litio agisce come elettrolita solido. Quindi, collegare i cavi tra il supporto TEM in situ, la sua unità di controllo e la sorgente di corrente di tensione.

Trova la griglia TEM tagliata a metà. Quindi, spostare il goniometro per posizionare la griglia nella posizione eucentrica del TEM. Quindi, trova l'ago di tungsteno con il litio rivestito di ossido di litio.

Esegui la fase TEM oscillante. Dopo aver posizionato l'ago all'altezza eucentrica mediante movimento grossolano del supporto in situ, spostare l'ago vicino alla griglia con un movimento XY grossolano del supporto e, man mano che l'ago si avvicina alla griglia, l'ingrandimento aumenta. Spostare l'ago in avanti verso la griglia per stabilire un contatto fisico tra il litio rivestito di ossido di litio e le nanoparticelle di silicio rivestite di biossido di titanio mediante il movimento fine della testa della sonda piezoelettrica del supporto in situ.

Impostare l'ingrandimento appropriato e l'intensità di dose del fascio di elettroni. Quindi, applicare una tensione tra le nanoparticelle di silicio e il litio utilizzando la fonte di tensione corrente e acquisire la serie di immagini per registrare i processi di litiazione e delithiation attraverso lo strato di rivestimento. Innanzitutto, carica l'immagine TEM.

Quindi, selezionare lo strumento di selezione del poligono e disegnare un poligono sulla particella di destinazione. Quindi, misurare l'area del poligono disegnato e confrontare l'area misurata tra varie immagini TEM per stimare il cambiamento nell'area in diversi punti durante il processo di litiazione e delithiation. Sono state ottenute immagini TEM di litiazione su particelle di silicio rivestite di biossido di titanio.

Il rivestimento a cinque nanometri mostra che si è verificata un'espansione significativa in tutta l'area e il rivestimento non è stato rotto durante l'enorme espansione. Nel caso del rivestimento a 10 nanometri, si è verificata un'espansione relativamente piccola anche per un tempo di litiazione più lungo e il rivestimento è stato rotto dopo due minuti. Durante la litiazione, il caso di rivestimento a cinque nanometri ha mostrato circa due volte l'espansione areale, mentre il caso di rivestimento a 10 nanometri ha mostrato solo 1,2 volte l'espansione areale, dimostrando che il tasso di espansione era sei volte più veloce nel caso del caso di rivestimento a cinque nanometri.

Per un esperimento di successo è necessario uno spessore appropriato dello strato di ossido di litio, quindi il controllo della quantità di esposizione all'aria è un passaggio critico. Seguendo questa procedura di fabbricazione di micro-batterie all'interno della propagazione di ioni elio-sodio attraverso interfacce elettrodo ed elettrolita può anche essere visualizzata. Questo metodo di analisi dell'idoneità di particolari rivestimenti basato su un semplice TEM in situ accelererà sicuramente la selezione di rivestimenti ideali per anodi, catodi, catodi, elettroliti e quindi la commercializzazione di batterie allo stato solido.