집중 된 이온 빔 제작 현장에서 테스트 LiPON 기반 고체 리튬-이온 Nanobatteries

이 실험의 전반적인 목표는 이중 빔 집속 이온 빔 시스템을 사용하여 현장 전기화학적 사이클링을 위한 전기화학적 활성, 모든 고체 상태, 박막 나노 배터리를 준비하는 것입니다. 이 방법은 고체 전기 화학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있으며, 사이클링 중 열역학 및 전기화학적 안정성을 포함하여 매립된 고체-고체 계면의 특성을 밝힐 수 있습니다. 이 현장 기술의 주요 장점은 나노 배터리가 외부 요인에 노출되지 않아 고체 배터리 작동을 제한하는 동적 프로세스를 방해받지 않고 볼 수 있다는 것입니다.

Tarascon 그룹이 최초로 개발한 박막 배터리 단면을 준비하면서 우리는 더 나아가 현장 특성화가 가능한 전기화학적 활성 나노 배터리를 제작하게 되었습니다. 먼저 실험을 위한 샘플을 준비합니다. 이것은 프로토콜에 사용되는 박막 배터리의 예입니다.

배터리의 활성층은 알루미늄 기판의 직경 2mm 영역에 있습니다. 그 구조에 대한 자세한 내용은 이 회로도에 나와 있습니다. 기판은 산화알루미늄입니다.

그 위에는 백금 음극 집전체가 있고 그 다음은 리튬 코발트 산화물 음극입니다. 다음으로, 리튬 인 산질화물 전해질, 비정질 실리콘 양극 및 구리 양극 집전체가 있습니다. 이 실험에는 이중 주사 전자 현미경과 집속 이온 빔 기기가 필요합니다.

마이크로 매니퓰레이터가 장착되어 있어야 합니다. 또 다른 필수 기기는 저전류 전위차 조절기입니다. 전위차의 음극 리드를 s에 연결하십시오.tage 차폐된 전기 피드스루를 통해.

내부적으로 팁이 노출된 차폐 와이어를 사용하여 피드스루를 스테이지에 연결합니다. 정전류 모드에서 전위차도를 사용하여 피드스루 cir의 저전류 노이즈 테스트를 수행합니다. 데이터를 검토할 때 현재 해상도는 이 예제와 같이 피코암프보다 작아야 합니다.

이제 전위차의 양극 리드를 마이크로 매니퓰레이터 접지 케이블에 연결하십시오. 다음은 프로토콜의 이 지점에 있는 전기 연결입니다. 샘플이 아직 탑재되지 않았습니다.

구리 TEM 리프트 아웃 그리드를 챔버에 도입합니다. 그리드는 전도성이 있어야 하며 나노 배터리를 장착할 수 있는 손가락이 있어야 합니다. 처음 장착할 때 그리드의 손가락은 전자빔과 평행해야 합니다.

이 설정에서는 전자빔과 이온 빔 사이에 52도 각도가 있습니다. 25mm 주사 전자 현미경 스텁에 양면 탄소 테이프를 붙인 다음 배터리를 알루미늄 면이 아래로 향하게 하여 테이프에 장착합니다. 전도성 테이프를 적용하여 집전체를 스터브에 전기적으로 연결합니다.

이 시점에서 배터리가 있는 스터브를 듀얼 빔 설정에 장착합니다. 다음은 실험 준비가 된 챔버의 스터브와 배터리입니다. 계속하려면 시스템 펌핑을 시작하십시오.

준비가 되면 전자 빔과 이온 빔을 켭니다. 로드되면 배터리의 집전체는 전자빔 방향에 수직입니다. 이온 빔이 배터리의 집전체에 수직이 되도록 샘플을 기울입니다.

실험 기간 동안 이온 빔 전압과 이온 빔 픽셀 체류 시간을 설정합니다. 현재 수집기부터 시작합니다. 20마이크로미터 x 2마이크로미터 영역을 선택합니다.

그런 다음 집속 이온 빔을 사용하여 1.5-2마이크로미터의 유기 금속 백금을 증착합니다. 다음으로, 백금 침전물 주변의 박막 배터리 스택으로 작업합니다. 활성 필름 레이어에서 1마이크로미터 아래 깊이의 직사각형을 밀링할 준비를 합니다.

계단식 패턴 단면 집속 이온 빔 밀링 옵션을 사용하여 밀링합니다. 백금 침전물의 반대쪽에 있는 대칭 영역을 밀링하여 나노 배터리를 정의합니다. 다음으로, 두 영역에서 단면 세척 절차를 사용하여 층상 구조를 명확하게 노출시킵니다.

이제 집전체가 전자 빔을 향하도록 배터리를 뒤로 기울입니다. 이제 나노 배터리의 측면이 이온 빔에 접근할 수 있습니다. 대부분의 나노 배터리를 분리하기 위해 평행 J-컷으로 생성된 직사각형 언더컷을 사용합니다.

그런 다음 배터리를 180도 회전하여 배터리 뒷면이 보이도록 합니다. 언더컷에 대해 밀링 단계를 반복하여 나노 배터리의 바닥과 측면을 분리합니다. 다음 단계에서는 샘플을 다시 180도 회전합니다.

이 시점에서 미세 조작기 세트를 공원 위치에 삽입합니다. 마이크로 매니퓰레이터를 나노 배터리의 백금으로 천천히 이동하고 접촉시킵니다. 마이크로 매니퓰레이터를 배터리의 백금 영역에 고정할 준비를 합니다.

이온 빔을 사용하여 백금을 증착하여 두 개를 고정합니다. 마이크로 매니퓰레이터가 부착되면 샘플에서 나노 배터리를 제거합니다. 밀링을 위해 나노 배터리의 마지막으로 연결된 부분을 식별합니다.

이 영역을 이온 밀링하여 샘플에서 분리합니다. 마이크로 매니퓰레이터로 나노 배터리를 수직으로 들어 올립니다. 나노 배터리를 구리 리프트 아웃 그리드로 이동합니다.

나노 배터리를 리프트 아웃 그리드와 접촉시키고 거기에 장착할 준비를 합니다. 이온 빔을 사용하여 2마이크로미터의 백금을 증착하여 제자리에 고정합니다. 이것은 리프트 아웃 그리드의 나노 배터리에 대한 다른 견해입니다.

다음으로 마이크로 매니퓰레이터를 분리하는 작업을 합니다. 그것과 나노 배터리 사이의 연결을 밀링하도록 준비합니다. 이온 밀링은 마이크로 매니퓰레이터와 나노 배터리 사이의 연결을 제거합니다.

마이크로 매니퓰레이터를 움직여 장착된 나노 배터리를 구리 그리드에 부착된 상태로 둡니다. 다음 단계에서는 이온 빔이 나노배터리 단면과 평행이 되도록 스테이지를 기울입니다. 나노 배터리의 장착된 가장자리 근처에서 5마이크로미터 너비의 부분에 대해 세척 절차를 사용합니다.

세척 절차는 전기화학적으로 활성화된 층을 명확하게 보여주는 것입니다. 다음으로, 음극 집전체와 구리 그리드 사이에 전기 접촉을 생성할 준비를 합니다. 집속된 이온 빔으로 500나노미터 두께의 백금을 증착하여 둘을 연결합니다.

이 이미지는 다른 각도에서 증착 단계의 효과를 보여줍니다. 다음은 증착 전의 나노 배터리입니다. 백금은 퇴적 후의 이 이미지에서 분명합니다.

이온 빔을 사용하여 양극, 양극 집전체 및 전해질의 3마이크로미터 너비 세그먼트를 제거할 준비를 합니다. 세그먼트를 제거하면 이러한 요소가 구리 그리드에서 격리됩니다. 이것은 이 단계 이후의 나노 배터리에 대한 다른 보기입니다.

전기 접촉을 하기 전에 양극과 양극 집전체를 분리하는 것은 프로토콜에 설명된 가장 중요한 단계입니다. 적절한 연결 및 절연이 없으면 나노 배터리가 단락되어 순환하지 않습니다. 다음으로, 스테이지를 기울여 이온 빔을 사용하여 나노 배터리 측면에 직사각형 세척 단면을 조심스럽게 적용하여 재축적된 물질을 제거합니다.

청소 후 개별 레이어가 뚜렷하게 보입니다. 마이크로 매니퓰레이터를 작동시키고 양극 수집기 위의 백금과 접촉시킵니다. 0.2나노미터 두께의 백금을 이온 빔과 함께 증착하여 마이크로매니퓰레이터와 집전기를 연결합니다.

이제 potentiostat 컨트롤에서 현재 매개변수를 설정하고 갈바노스태틱 사이클링 모드에서 potentiostat를 실행하여 in situ 사이클링을 수행합니다. 이 곡선은 평방 센티미터당 50마이크로암페어의 전류 밀도를 가진 집속 이온 빔 제작 나노 배터리의 전기화학적 충전 프로파일을 나타내며 평방 센티미터당 12.5마이크로암페어 시간의 용량을 보여줍니다. 평방 센티미터당 1.25밀리암페어의 더 높은 전류 밀도를 가진 다른 곡선은 평방 센티미터당 105마이크로암페어 시간의 용량을 생성합니다.

두 곡선 모두 3.6V 안정기를 보여줍니다. 다음은 제곱센티미터당 60마이크로암페어의 전류 밀도에 대한 나노 배터리 충전 및 방전 프로필입니다. 충전 용량은 30분으로 제한되었습니다.

방전 용량은 2볼트로 제한되었습니다. 이것은 약 35%의 가역성을 보여줍니다.일단 마스터하면 이 기술을 제대로 수행하면 3시간 안에 완료할 수 있지만 사이클링 길이는 원하는 만큼 연장될 수 있음을 명심하십시오. 이 절차를 시도하는 동안 E-빔 또는 이온 빔을 사용한 불필요한 이미징은 장치를 손상시킬 수 있으므로 피하는 것이 중요합니다.

전기화학적으로 활성이 높은 나노 배터리의 제조를 입증한 후, 유사한 나노 배터리를 사이클링 중 계면에 대한 보다 포괄적인 분석을 위해 현장 TEM 사이클링 홀더로 전송할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 박막 배터리의 단면을 추출하는 방법과 이중 빔 FIB 내에서 전기화학적으로 활성 나노 배터리를 제조하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.