Screening van coatings voor een volledig solid-state batterij met behulp van in situ transmissie-elektronenmicroscopie

Elektrode- en elektrolytcoatings zijn van cruciaal belang om de stabiliteit van de solid-state batterij en de prestaties op lange termijn te garanderen. Onze screeningsmethode, gebaseerd op een eenvoudige in situ TEM-studie, helpt ons bij het bepalen van het ideale coatingmateriaal, de laagdikte, de enkellaagse of meerlaagse coating, evenals de basiscoatingprocedures. De coatings worden aangebracht op silicium nanodeeltjes.

De bekende drastische volumeverandering van silicium tijdens de lithiatie en delithiatie stelt ons in staat om lithiatie en delithiatie door de coating te volgen bij een relatief lage vergroting en dus bij een lage elektronendosissnelheid, wat zorgt voor geen schade aan de elektronenbundel. Vandaag zal Dr.Junbeom Park, een postdoctoraal onderzoeker uit mijn groep, de procedure demonstreren. Dr. Janghyun Jo, een postdoctoraal onderzoeker van het ER-C Institute, zal ook helpen bij het demonstreren van de procedure.

Maak om te beginnen een half gesneden TEM-rooster door de drie millimeter TEM-roosters met kantschuim op een schone glasplaat te plaatsen. Snijd vervolgens het TEM-rooster in half gesneden roosters met een scheermesje. Dispergeer vervolgens de met titaniumdioxide gecoate siliciumnanodeeltjes in aceton en laat ze met een pipet op een van de half gesneden TEM-roosters vallen.

Knip een wolfraamdraad met behulp van een kniptang in kleine stukjes met een lengte van 0,5 tot 1 centimeter. Na het mengen van de twee componenten geleidende lijm op het schone glaasglas, lijmt u de wolfraamdraad op het half gesneden rooster met geleidende lijm. Laat de geleidende lijm vervolgens uitharden door deze vier uur lang op kamertemperatuur op een veilige plaats te drogen.

Knip de wolfraamdraad met behulp van een nipper in kleine stukjes met een lengte van ongeveer twee centimeter en monteer de wolfraamdraad op de elektrolytisch polijstmachine. Meng 50% van 1,3 mol per liter natriumhydroxide en 50% ethanol in een bekerglas van 10 milliliter. Stel het juiste beweegbare bereik van een tegenelektrode in om de elektrolyt uit het bekerglas te dragen.

Breng de spanning aan totdat de wolfraamdraad in twee stukken is gesneden, wat resulteert in twee scherpe wolfraamnaalden. Laad vervolgens de voorbereide wolfraamnaald op de sondekop. Steek de wolfraamnaaldbelaste sondekop in situ TEM-houder met het gegoten, half gesneden TEM-rooster en kleine handschoenenzakje in het argonhandschoenenkastje.

Kras het lithiummetaal met de voorbereide wolfraamnaaldsondekop en monteer de met lithium geladen wolfraamnaald op de in situ TEM-houder. Doe de geassembleerde ter plaatse gemonteerde TEM-houder in een klein handschoentasje. Nadat u het kleine handschoenentasje hebt gesloten, haalt u het uit het handschoenenkastje.

Sluit de lege TEM-goniometer af met een groot handschoenenzakje en doe het gesloten kleine handschoenenzakje met daarin de geassembleerde ter plaatse gemonteerde TEM-houder in de grote handschoenentas. Pomp en spoel de grote handschoenenzak met een inert gas meer dan drie keer. Open vervolgens het kleine zakje en plaats de geassembleerde ter plaatse gemonteerde TEM-houder.

Merk op dat de lichte blootstelling aan lucht een lithiumoxidelaag op het lithium vormt. Deze lithiumoxidelaag fungeert als de vaste elektrolyt. Sluit vervolgens de kabels aan tussen de in situ TEM-houder, de besturingseenheid en de spanningsstroombron.

Zoek het half gesneden TEM-raster. Beweeg vervolgens de goniometer om het raster in de eucentrische positie van de TEM te plaatsen. Zoek vervolgens de wolfraamnaald met het met lithiumoxide gecoate lithium.

Voer de TEM-fase wiebelend uit. Nadat u de naald op eucentrische hoogte hebt geplaatst door grove beweging van de in situ houder, beweegt u de naald dicht bij het rooster door grove XY-beweging van de houder en naarmate de naald dichter bij het rooster komt, wordt de vergroting vergroot. Beweeg de naald naar voren naar het rooster om fysiek contact te maken tussen het met lithiumoxide gecoate lithium en de met titaniumdioxide gecoate siliciumnanodeeltjes door de fijne beweging van de piëzo-sondekop van de in situ-houder.

Stel de juiste vergroting en de dosis elektronenbundel in. Breng vervolgens een spanning aan tussen de siliciumnanodeeltjes en lithium met behulp van de huidige spanningsbron en leg de beeldreeks vast om de lithiatie- en delithiatieprocessen door de coatinglaag vast te leggen. Laad eerst de TEM-installatiekopie.

Selecteer vervolgens het gereedschap voor het selecteren van veelhoeken en teken een veelhoek naar het doeldeeltje. Meet vervolgens het gebied van de getekende veelhoek en vergelijk het gemeten gebied tussen verschillende TEM-afbeeldingen om de verandering in het gebied op verschillende punten tijdens het lithiatie- en delithiatieproces te schatten. TEM-beelden van lithiatie op met titaniumdioxide gecoate siliciumdeeltjes werden verkregen.

De coating van vijf nanometer laat zien dat er in het hele gebied een aanzienlijke uitzetting heeft plaatsgevonden en dat de coating niet is gebroken tijdens enorme uitzetting. In het geval van 10-nanometer coating trad zelfs voor een langere lithiatietijd een relatief kleine uitzetting op en was de coating na twee minuten gebroken. Tijdens lithiatie vertoonde de coatingbehuizing van vijf nanometer ongeveer twee keer de oppervlakte-uitzetting, terwijl de coatingbehuizing van 10 nanometer slechts 1,2 keer de oppervlakte-uitzetting vertoonde, wat aantoont dat de uitzettingssnelheid zes keer sneller was in het geval van de coatingbehuizing van vijf nanometer.

De juiste dikte van de lithiumoxidelaag is vereist voor een succesvol experiment, dus het beheersen van de hoeveelheid blootstelling aan lucht is een kritieke stap. Het volgen van deze procedure van micro-batterijfabricage in de helium-natriumionvoortplanting door elektrode- en elektrolytinterfaces kan ook worden gevisualiseerd. Deze methode om de geschiktheid van bepaalde coatings te analyseren op basis van een eenvoudige in situ TEM zal zeker de selectie van ideale anode-, kathode- en elektrolytcoatings versnellen en dus de commercialisering van all-solid-state batterijen.