Name: Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-20T12:50:00.000+00:00
Duration: 7 min 20 s
Description: Poznaj metodę przesiewania powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ. Technika ta pozwala ocenić materiały powłokowe i grubość powłoki na nanocząstkach krzemu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca jest prowadzona w ramach "Elektroskopii" (grant nr 892916) z działania Maria Skłodowska-Curie. J.P., O.C., H.T. i H.K. potwierdzają projekt iNEW FKZ 03F0589A od BMBF. CG potwierdza finansowanie przez Royal Society w Londynie dla URF (grant nr. UF160573).

1. Przygotowanie nanocząstek Si pokrytych TiO2 (TiO2@Si NPs) na pół-przeciętych siatkach TEM
<ol>
	<li>Przygotuj przeciętą na pół siatkę TEM.
	<ol>
		<li>Umieść kratki TEM o średnicy 3 mm z koronkową folią (patrz tabela materiałów) na czystym szkiełku podstawowym.</li>
		<li>Pokrój siatkę TEM na siatki przecięte na pół za pomocą żyletki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rzuć kroplowo NPTiO 2@Si na półciętą siatkę TEM. 
	UWAGA: W tym badaniu użyto nanocząsteczek Si o wielkości 100 nm pokrytych TiO2o długości fali 5 nm/10 nm metodą osadzania warstwy atomowej15. Naukowcy mogą przygotowywać powlekane nanocząsteczki krzemu na różne sposoby.
	<ol>
		<li>RozproszyćTiO 2@Si NPs w 10 ml acetonu i rozlać pipetą na jedną z przeciętych na pół siatek TEM. 
		UWAGA: Około 10 kropli o wielkości 5 μl dałoby wystarczającą ilość TiO2@Si NP na krawędzi przekrojonej na pół siatki TEM.</li>
		<li>Sprawdź, czy nanocząsteczki TiO2@Si są umieszczone na krawędzi za pomocą TEM. 
		UWAGA: Nie jest to konieczne, ale zalecane.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przymocuj drut wolframowy (W) do przeciętej na pół siatki TEM.
	<ol>
		<li>Pokrój drut W za pomocą szczypiec (patrz Tabela materiałów) na małe kawałki o długości 0,5-1 cm.</li>
		<li>Wymieszaj dwa składniki kleju przewodzącego na czystym szkiełku szkiełkowym. Przyklej drut W do przeciętej na pół siatki za pomocą kleju przewodzącego.</li>
		<li>Klej przewodzący utwardzić susząc go w temperaturze pokojowej w bezpiecznym miejscu przez 4 godziny 
		UWAGA: W celu przyspieszonego utwardzania należy podgrzewać próbkę na płycie grzejnej w temperaturze około 100 °C przez 10 minut.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie igły W
<ol>
	<li>Pokrój drut W za pomocą szczypiec na małe kawałki o długości ~2 cm. Zamontuj drut W na elektropolerce (patrz Tabela materiałów).</li>
	<li>Wymieszaj 50% 1,3 mol/l NaOH i 50% etanolu w zlewce o pojemności 10 ml. Ustaw odpowiedni ruchomy zakres przeciwelektrody do przenoszenia elektrolitu ze zlewki. 
	UWAGA: Obszar elektropolerowania można regulować, przesuwając pętlę iteracyjnie w górę iw dół. Obszar polerowania jest ograniczony do 2-4 mm poprzez ustawienie zakresu ruchu pionowego pętli. Liczba ruchów pionowych pętli jest ustawiona na pięć razy na każdą podróż, aby zanurzyć pętlę w zlewce z elektrolitem.</li>
	<li>Przyłóż napięcie, aż drut W zostanie przecięty na dwie części - dwie ostre igły W. 
	UWAGA: Warunkiem polerowania zastosowanym w tym badaniu było napięcie (4,0 V) oraz pionowy ruch iteracyjny pętli (2-4 mm) z pięcioma iteracjami na elektrolit.</li>
	<li>Załaduj przygotowaną igłę W na głowicę sondy.</li>
</ol>
3. Ładowanie siatki TEM odlewanej kroplowo i igły W do uchwytu TEM in situ
<ol>
	<li>Włóż odlewaną na pół przeciętą na pół siatkę TEM, głowicę sondy z igłą W, uchwyt TEM in situ i małą torbę na rękawiczki (otwartą) do bezpowietrznego schowka na rękawiczki (patrz Tabela materiałów).</li>
	<li>Zdrap metal Li za pomocą przygotowanej głowicy sondy igłowej W (Li/LixO@W igła). 
	UWAGA: Li łatwo utlenia się (Li/LixO) przez niewielką ilość wody.</li>
	<li>Zamontuj głowicę sondy igłowej Li/LixO@W do uchwytu TEM in situ. Załaduj odlewaną na pół przeciętą na pół siatkę TEM do uchwytu TEM in situ (<silna klasa="xfig">Rysunek 1).</li>
	<li>Umieść zmontowany na miejscu uchwyt TEM w małej torbie na rękawiczki. Zamknij małą torbę na rękawiczki i wyjmij ją ze schowka. 
	UWAGA: Wyjmij zmontowany uchwyt TEM in situ tuż przed eksperymentem in situ, aby kontakt z powietrzem był jak najmniejszy.</li>
</ol>
4. Wkładanie zmontowanego uchwytu in situ do TEM
UWAGA: Igła Li/LixO@W może być utleniona przez powietrze lub wodę w torbie na rękawiczki, więc bądź ostrożny.
<ol>
	<li>Uszczelnij pusty goniometr TEM (patrz Tabela materiałów) dużą torbą na rękawice. Włóż zamkniętą małą torbę na rękawiczki zawierającą zmontowany na miejscu uchwyt TEM do dużej torby na rękawice.</li>
	<li>Napompować i przepłukać dużą torbę rękawicową gazem obojętnym (Ar lub N2) więcej niż trzy razy. 
	UWAGA: Pojedynczy proces pompowania i przedmuchiwania może zająć około kilku minut.</li>
	<li>Otwórz małą torbę i włóż zmontowany na miejscu uchwyt TEM. Podłącz do uchwytu TEM in situ. 
	UWAGA: Jeden służy do ruchu igły z urządzenia sterującego, a drugi służy do podawania napięcia lub prądu z zasilacza (patrz Tabela materiałów).</li>
</ol>
5. Przeprowadzanie eksperymentu z odchyleniami in situ w TEM
<ol>
	<li>Wyrównaj wiązkę elektronów. 
	UWAGA: Wszystkich technik i zasad TEM można nauczyć się z reference16.</li>
	<li>Przesuń igłę Li/LixO@W w kierunku TiO2@Si NPs (<silna klasa="xfig">Rysunek 2). Ustaw najmniejsze powiększenie.
	<ol>
		<li>Znajdź siatkę TEM przeciętą na pół. Zlokalizuj siatkę na wysokości eucentrycznej za pomocą goniometru TEM. Znajdź igłę Li/LixO@W.</li>
		<li>Uruchamianie chybotania etapu TEM. Umieść igłę na wysokości eucentrycznej za pomocą ruchu zgrubnego (bezwładnościowe przesuwanie z powtarzającym się impulsem). 
		UWAGA: Minimalizacja ruchu igły wskazuje na wysokość eucentryczną.</li>
		<li>Przesunąć igłę w pobliże siatki ruchem zgrubnym. Zwiększ powiększenie.</li>
		<li>Przesunąć igłę do przodu do siatki, aby uzyskać fizyczny kontakt między igłą a TiO2@Si NPs precyzyjnym ruchem (rurka piezoelektryczna). 
		UWAGA: Zmiana kontrastu nanocząsteczek TiO2@Si wskazuje na kontakt fizyczny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustaw odpowiednie powiększenie i intensywność wiązki. 
	UWAGA: Szybkość dawki elektronów zastosowana w tym badaniu wynosiła 10 e-/A2/s, co jest porównywalnym warunkiem dla próbki biologicznej.</li>
	<li>Zastosuj napięcie i przechwyć obraz lub wideo. 
	UWAGA: Napięcie użyte w tym badaniu wynosiło 2 V.</li>
</ol>
6. Analiza obrazów TEM
<ol>
	<li>Załaduj obraz TEM. Narysuj wielokąt, aby wycelować w cząstkę.</li>
	<li>Zmierz powierzchnię narysowanego wielokąta. Porównaj zmierzony obszar między różnymi obrazami TEM. 
	UWAGA: W celu określenia ilościowego przed pomiarem wymagane jest ustawienie skali (jednostka: piksel na długość). ImageJ (patrz tabela materiałów) został wykorzystany do przetwarzania obrazów w niniejszym badaniu.</li>
</ol>

<ol><li>Armand, M., Tarascon, J. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Building+better+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Building better batteries.</a> Nature. 451 (7179), 652-657 (2008).</li>
<li>Goodenough, J. B., Park, K. -S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Li-ion+rechargeable+battery%3A+a+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">The Li-ion rechargeable battery: a perspective.</a> Journal of the American Chemical Society. 135 (4), 1167-1176 (2013).</li>
<li>Liu, K., Liu, Y., Lin, D., Pei, A., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+for+lithium-ion+battery+safety%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Materials for lithium-ion battery safety.</a> Science Advances. 4 (6), (2018).</li>
<li>Grey, C. P., Hall, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospects+for+lithium-ion+batteries+and+beyond-a+2030+vision%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Prospects for lithium-ion batteries and beyond-a 2030 vision.</a> Nature Communications. 11 (1), 6279(2020).</li>
<li>Basak, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operando+transmission+electron+microscopy+study+of+all-solid-state+battery+interface%3A+redistribution+of+lithium+among+interconnected+particles%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Operando transmission electron microscopy study of all-solid-state battery interface: redistribution of lithium among interconnected particles.</a> ACS Applied Energy Materials. 3 (6), 5101-5106 (2020).</li>
<li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+visualization+of+the+space-charge-layer+effect+on+interfacial+lithium-ion+transport+in+all-solid-state+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">In-situ visualization of the space-charge-layer effect on interfacial lithium-ion transport in all-solid-state batteries.</a> Nature Communications. 11 (1), 5889(2020).</li>
<li>Lee, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nitrogen-doped+carbon+coating+for+a+high-performance+SiO+anode+in+lithium-ion+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Nitrogen-doped carbon coating for a high-performance SiO anode in lithium-ion batteries.</a> Electrochemistry Communications. 34, 98-101 (2013).</li>
<li>Wu, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+facile%2C+dry-processed+lithium+borate-based+cathode+coating+for+improved+all-solid-state+battery+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">A facile, dry-processed lithium borate-based cathode coating for improved all-solid-state battery performance.</a> Journal of The Electrochemical Society. 167 (13), 130516(2020).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualizing+the+sensitive+lithium+with+atomic+precision%3A+cryogenic+electron+microscopy+for+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+of+Chemical+Research%22%5BJournal%5D)">Visualizing the sensitive lithium with atomic precision: cryogenic electron microscopy for batteries.</a> Accounts of Chemical Research. 54 (9), 2088-2099 (2021).</li>
<li>Sheng, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfacial+and+ionic+modulation+of+poly+%28ethylene+oxide%29+electrolyte+via+localized+iodization+to+enable+dendrite-free+lithium+metal+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Interfacial and ionic modulation of poly (ethylene oxide) electrolyte via localized iodization to enable dendrite-free lithium metal batteries.</a> Advanced Functional Materials. 32 (14), 2111026(2022).</li>
<li>Gong, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+atomic-scale+observation+of+electrochemical+delithiation+induced+structure+evolution+of+LiCoO2cathode+in+a+working+all-solid-state+battery%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">In situ atomic-scale observation of electrochemical delithiation induced structure evolution of LiCoO2cathode in a working all-solid-state battery.</a> Journal of the American Chemical Society. 139 (12), 4274-4277 (2017).</li>
<li>Huang, J. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+observation+of+the+electrochemical+lithiation+of+a+single+SnO2+nanowire+electrode%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">In situ observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode.</a> Science. 330 (6010), 1515-1520 (2010).</li>
<li>Liu, X. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anisotropic+swelling+and+fracture+of+silicon+nanowires+during+lithiation%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Anisotropic swelling and fracture of silicon nanowires during lithiation.</a> Nano Letters. 11 (8), 3312-3318 (2011).</li>
<li>Liu, X. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size-dependent+fracture+of+silicon+nanoparticles+during+lithiation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Size-dependent fracture of silicon nanoparticles during lithiation.</a> ACS Nano. 6 (2), 1522-1531 (2012).</li>
<li>Basak, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operando+transmission+electron+microscopy+of+battery+cycling%3A+thickness+dependent+breaking+of+TiO+2+coating+on+Si%2FSiO+2+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Operando transmission electron microscopy of battery cycling: thickness dependent breaking of TiO 2 coating on Si/SiO 2 nanoparticles.</a> Chemical Communications. 58 (19), 3130-3133 (2022).</li>
<li>Williams, D. B., Carter, C. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWilliams%2C+DB+%22Transmission+Electron+Microscopy%22">Transmission Electron Microscopy</a>. , Springer. US. Boston, MA. (2009).</li>
<li>Horwath, J. P., Zakharov, D. N., Mégret, R., Stach, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+important+features+of+deep+learning+models+for+segmentation+of+high-resolution+transmission+electron+microscopy+images%5BTitle%5D)+AND+%22npj+Computational+Materials%22%5BJournal%5D)">Understanding important features of deep learning models for segmentation of high-resolution transmission electron microscopy images.</a> npj Computational Materials. 6 (1), 108(2020).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Litiacja powlekanych nanocząsteczek krzemu za pomocą TEM in situ umożliwia proste badanie potencjalnych powłok dla ASSB. Jednym z ważnych kroków decydujących o powodzeniu tych eksperymentów jest odpowiednia grubość LiOx, który w tych eksperymentach pełni rolę stałego elektrolitu. Ponieważ przewodność jonowa LiOx jest znacznie niższa niż w przypadku typowego stałego elektrolitu stosowanego w ASSB, grubsza warstwa LiOx zwiększyłaby rezystancję wewnętrzną i utrudniłaby przewodnictwo jonów. Z drugiej strony, każdy nieutleniony obszar litu może działać jako opcjonalny sposób zwarcia baterii. Odpowiednią grubość LiOx można zapewnić poprzez staranne przetransportowanie zmontowanego uchwytu z komory rękawicowej do TEM za pomocą tzw. worka rękawicowego (opisanego w krokach 3 i 4). 
Zachowanie powłoki podczas litacji można zbadać w bardziej szczegółowy sposób, nawet przy tak małym powiększeniu, jeśli dane powłoki (sygnał) są wyodrębniane oddzielnie od obrazów TEM bez danych rdzenia krzemowego (szum). Przed litacją powłokę i Si NP można łatwo odróżnić po kontraście. Jednak podczas litowania różnica kontrastu uległa zmniejszeniu, więc trudno było badać zjawiska powlekania niezależnie. Obrazowanie STEM może zwiększyć kontrast, a intensywność obrazów STEM może być wykorzystana do pomiaru objętości. Co więcej, uczenie maszynowe lub technologia głębokiego uczenia się mogą usprawnić rozpoznawanie cech i wydobywać więcej informacji w celu zrozumienia mechanizmów podczas eksperymentów in situ 17. 
Obecna procedura (de)lityzacji powlekanych nanocząsteczek krzemu za pomocą TEM in situ ogranicza się do szybkiego badania przesiewowego w celu znalezienia potencjalnych materiałów powłokowych. Kandydaci na powłoki z krótkiej listy muszą zostać przetestowani w rzeczywistych ASSB. Badania polaryzacji in situ mikrobaterii, przygotowane za pomocą skupionej wiązki jonów w systemie mikroelektromechanicznym (MEMS), mogą dostarczyć dalszych informacji na temat mechanizmu międzyfazowego transportu jonów 6,11.
Ta technika przesiewania powłok może być dostosowana do ASSB opartych na jonach nau poprzez zastąpienie litu sodem.

Dzisiaj, akumulatory litowo-jonowe są wszędzie wokół nas, od różnych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony i laptopy, po pojazdy elektryczne, których liczba gwałtownie rośnie, aby odejść od gospodarki opartej na paliwach kopalnych1,2. W związku z tym stale rosnącym, funkcje bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych są wymogiem o wysokim priorytecie3. Ciekłe elektrolity, które są zwykle stosowane w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych, są łatwopalne, szczególnie przy wyższych napięciach i temperaturach roboczych. Natomiast stosowanie niepalnych elektrolitów stałych w akumulatorach półprzewodnikowych (ASSB) zmniejsza ryzyko palności4. To, a także potencjalnie wysoka gęstość energii, sprawiło, że w ciągu ostatnich kilku lat ASSB znalazły się w centrum uwagi badawczej. Jednak granica faz elektrolit-elektroda ciało stałe-ciało stałe w ASSB niesie ze sobą własne wyzwania, które znacznie różnią się od tradycyjnego interfejsu elektroda-elektrolit ciecz-ciało stałe5. Wiele elektrolitów stosowanych w ASSB nie jest stabilnych chemicznie i/lub elektrochemicznie w stosunku do litu i katod. Tak więc reakcje rozkładu na granicy faz elektroda-elektrolit powodują powstawanie warstw pasywacyjnych, co skutkuje ograniczonym transportem jonów i wzrostem rezystancji wewnętrznej, co prowadzi do degradacji pojemności w cyklach baterii6. Jednym z najczęstszych sposobów zapobiegania takiej reakcji jest nałożenie powłoki na elektrody i/lub elektrolity, która zapewnia brak bezpośredniego kontaktu między elektrodą a elektrolitem i zapewnia stabilny interfejs. W tym celu badane są obecnie różne elektroniczne i jonowe powłoki przewodzące7,8.
Główne wymagania dla idealnej powłoki to: musi umożliwiać przewodnictwo jonów; nie może zwiększać wewnętrznej rezystancji baterii; i musi być chemicznie i mechanicznie stabilna przez wiele cykli baterii. Inne kwestie, takie jak grubość powłoki, jednowarstwowa lub wielowarstwowa oraz idealny proces powlekania, są szczególnie interesujące dla komercjalizacji ASSB. Dlatego potrzebna jest metoda przesiewowa, aby znaleźć najlepsze powłoki.
Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) został użyty do zbadania granicy faz ciało stałe-ciało stałe w ASSB aż do skali atomowej9,10. Co więcej, operando TEM oferuje możliwość zbudowania mikrobaterii wewnątrz TEM i badania procesów zachodzących w baterii podczas cyklu baterii. Aby śledzić ruchy litowo-jonowe w akumulatorze, potrzebne jest obrazowanie w wysokiej rozdzielczości11. Jednak nieodłączna dawka wiązki elektronów w takiej wysokiej rozdzielczości obrazowania przez cały czas trwania eksperymentu może zmienić szlaki elektrochemiczne. Alternatywą dla tego są powłoki, które są nakładane na nanocząstki krzemu (NP) i poddawane (de)lityzacji. Podczas eksperymentów operando TEM proces litowania powłoki może być monitorowany przy małym powiększeniu, dzięki dużym zmianom objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji12,13,14. W ten sposób cały proces cyklu baterii może być monitorowany przy stosunkowo niskiej dawce elektronów. Co więcej, naprężenia generowane na powłoce w wyniku dużych zmian objętości krzemu będą analogiczne do naprężeń generowanych na powłoce w wielu cyklach. W ten sposób można również badać długoterminową stabilność mechaniczną powłok. Niniejszy artykuł ma na celu podzielenie się, wraz z przykładami różnych grubości powłoki TiO2, w jaki sposób można przeprowadzić taki eksperyment operando TEM w celu zbadania potencjalnych powłok ASSB. Protokół wyjaśni ładowanie powlekanych nanocząsteczek krzemu na uchwycie TEM in situ, obserwację litacji powlekanych nanocząsteczek krzemu w TEM i analizę obrazów TEM.

<table><tbody><tr><td>Siatki TEM 3 mm z koronkową folią</td><td>Ted Pella</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ar gas</td><td>Linde</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klej przewodzący</td><td>Chemtronics</td><td>CW2400</td><td></td></tr><tr><td>Elektropolerka</td><td>Simplex Scientific LLC</td><td>ElectroPointer</td><td>W zestawie przeciwelektroda (mała pętla wykonana z Platinum)</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Torba</td><td></td><td></td><td></td>rękawicowa</tr><tr><td>Schowek</td><td></td><td></td><td></td>rękawicowy</tr><tr><td>Program do przetwarzania obrazu</td><td>ImageJ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Uchwyt TEM z odchyleniem in-situ</td><td>Nanofactory</td><td>Nanofactory Uchwyt STM-TEM</td><td>W tym sprzęt do kontroli piezoelektrycznej</td></tr><tr><td>NaOH</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Nipper</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zasilacz</td><td>Keithley</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TiO2 pokryty cząstkami</td><td></td><td></td> Si/SiO2 <td>Produkowane w domu, TiO2 powlekane na komercyjnych nanocząstkach Si metodą osadzania warstwy atomowej</td></tr><tr><td>Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM)</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>Titan G2</td><td></td></tr><tr><td>Drut wolframowy (W) ( średnica: 0,25 mm)</td> <td>dowolna dostępna marka</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy

Wraz z coraz częstszym stosowaniem akumulatorów litowo-jonowych, zwłaszcza ze względu na ich zastosowanie w pojazdach elektrycznych, ich bezpieczeństwo jest najważniejsze. W związku z tym akumulatory półprzewodnikowe (ASSB), które wykorzystują elektrolity stałe zamiast elektrolitów ciekłych, co zmniejsza ryzyko palności, były centralnym etapem badań nad akumulatorami w ciągu ostatnich kilku lat. Jednak w ASSB transport jonów przez granicę faz elektrolit-elektroda ciało stałe-ciało stałe stanowi wyzwanie ze względu na problemy z kontaktem i stabilnością chemiczną/elektrochemiczną. Nałożenie odpowiedniej powłoki wokół elektrody i/lub cząstek elektrolitu stanowi wygodne rozwiązanie, prowadzące do lepszej wydajności. W tym celu naukowcy analizują potencjalne elektroniczne/jonowe powłoki przewodzące i nieprzewodzące, aby znaleźć najlepsze powłoki o odpowiedniej grubości zapewniającej długotrwałą stabilność chemiczną, elektrochemiczną i mechaniczną. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) łączy wysoką rozdzielczość przestrzenną z wysoką rozdzielczością czasową, aby umożliwić wizualizację procesów dynamicznych, a tym samym jest idealnym narzędziem do oceny powłok elektrod/elektrolitów poprzez badanie (de)litacji na poziomie pojedynczych cząstek w czasie rzeczywistym. Jednak skumulowana dawka elektronów podczas typowej pracy in situ w wysokiej rozdzielczości może wpływać na szlaki elektrochemiczne, których ocena może być czasochłonna. Obecny protokół przedstawia alternatywną procedurę, w której potencjalne powłoki są nakładane na nanocząstki krzemu i poddawane (de)lityzacji podczas eksperymentów operando TEM. Duże zmiany objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji umożliwiają monitorowanie zachowania powłoki przy stosunkowo małym powiększeniu. Dzięki temu cały proces jest bardzo wydajny pod względem dawki elektronów i umożliwia szybkie przesiewanie potencjalnych powłok.

Seria obrazów TEM przedstawiająca litowanie cząsteczek Si/SiO2 powlekanych warstwą TiO2 o grubości 5 nm i 10 nm została zaprezentowana na Rysunku 3. W przypadku powłoki o grubości 5 nm w całym obszarze nastąpiła znaczna ekspansja, a powłoka nie uległa przerwaniu podczas tego silnego rozszerzenia. W przypadku powłoki o grubości 10 nm nastąpiła stosunkowo niewielka ekspansja, nawet przy dłuższym czasie litowania, a powłoka uległa przerwaniu po 2 min. Biorąc pod uwagę stopień ekspansji oraz pękanie powłoki, można przypuszczać, że powłoka o grubości 5 nm zapewni lepszą pojemność i trwałość niż powłoka o grubości 10 nm.
Wielkość ekspansji cząsteczek można wyznaczyć za pomocą przetwarzania obrazów, jak pokazano na Rysunku 4. W przypadku powłoki o grubości 5 nm odnotowano około 2-krotny wzrost powierzchni, podczas gdy w przypadku powłoki 10 nm wzrost powierzchni wyniósł jedynie 1,2x. Szybkość ekspansji dla powłoki 5 nm jest sześciokrotnie większa niż w przypadku powłoki 10 nm.
<img alt="Uchwyt do polaryzacji TEM i cząsteczki Si; zarysowany lit na igle z W w ustawieniu siatki TEM." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Montaż uchwytu TEM in situ. (A) Pusty uchwyt do polaryzacji TEM in situ. (B) Montaż w połowie przeciętej siatki TEM z naniesioną kroplą i prętem wolframowym po prawej stronie uchwytu. (C) Montaż głowicy sondy z igłą wolframową po lewej stronie uchwytu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Porównanie technik mikroskopowych; podejścia w skali grubej i nanometrycznej; ustawienie eksperymentalne, wizualizacja wyników." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Przesuwanie igły wolframowej w stronę nanocząstek Si powlekanych TiO2 w TEM. (A) Ustawianie igły wolframowej na wysokości eukcentrycznej i przybliżanie igły do siatki TEM. (B) Kontakt fizyczny między igłą a nanocząstkami jest sygnalizowany zmianą kontrastu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Litiowanie nanop cząstek Si powlekanych TiO2; obrazy TEM; 5 nm, 10 nm; analiza w czasie; badanie nanostruktury." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Seria obrazów TEM przedstawiająca litiowanie. (A) Nanocząstki Si powlekane 5 nm TiO2. (B) Nanocząstki Si powlekane 10 nm TiO2. Rycina została zaadaptowana z pracy Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Obraz z mikroskopii elektronowej przedstawiający wzrost nanocząsteczek, wykres śledzi zwiększanie się powierzchni powłoki TiO2 w czasie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Śledzenie ekspansji nanocząsteczek podczas litowania. (A) Pomiar powierzchni nanocząsteczek (za pomocą narysowanego wielokąta) na obrazie TEM. (B) Wykres wzrostu powierzchni vs. czas. Rycina została opracowana na podstawie pracy Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji, obecny protokół opisuje metodę przesiewową potencjalnych powłok dla baterii półprzewodnikowych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

With the ever-increasing use of Li-ion batteries, especially due to their adoption in electric vehicles, their safety is in prime focus. Thus, the ...

Powłoki elektrod i elektrolitów mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilności i długotrwałej wydajności akumulatora w pełni półprzewodnikowego. Nasza metoda przesiewowa, oparta na prostym badaniu TEM in situ, pomaga nam określić idealny materiał powłokowy, grubość powłoki, powłokę jednowarstwową lub wielowarstwową, a także procedury powlekania bazowego. Powłoki nakładane są na nanocząstki krzemu.Dobrze znana drastyczna zmiana objętości krzemu podczas litiacji i delitiacji pozwala nam śledzić litiację i delitiację przez powłokę przy stosunkowo małym powiększeniu, a tym samym przy niskiej dawce elektronów, co zapewnia brak uszkodzeń wiązki elektronów. Dzisiaj dr Junbeom Park, doktor habilitowany z mojej grupy, zademonstruje tę procedurę. Dr Janghyun Jo, doktor habilitowany z Instytutu ER-C, również pomoże zademonstrować tę procedurę.Na początek przygotuj przeciętą na pół siatkę TEM, umieszczając trzymilimetrowe siatki TEM z koronkową pianką na czystym szkiełku podstawowym. Następnie pokrój siatkę TEM na siatki przecięte na pół za pomocą żyletki. Następnie zdyspergować nanocząstki krzemu pokryte dwutlenkiem tytanu w acetonie i odlewać na jedną z przeciętych na pół siatek TEM za pomocą pipety.Pokrój drut wolframowy za pomocą szczypiec na małe kawałki o długości od 0,5 do 1 centymetra. Po wymieszaniu dwóch składników kleju przewodzącego na czystym szkle szkiełkowym, przyklej drut wolframowy do przeciętej na pół siatki za pomocą kleju przewodzącego. Następnie utwardź klej przewodzący, susząc go w temperaturze pokojowej w bezpiecznym miejscu przez cztery godziny.Pokrój drut wolframowy za pomocą szczypiec na małe kawałki o długości około dwóch centymetrów i zamontuj drut wolframowy na maszynie do elektropolerowania. Wymieszaj 50% z 1,3 mola na litr wodorotlenku sodu i 50% etanolu w 10-mililitrowej zlewce. Ustaw odpowiedni ruchomy zakres przeciwelektrody do przenoszenia elektrolitu ze zlewki.Stosuj napięcie, aż drut wolframowy zostanie przecięty na dwie części, w wyniku czego powstaną dwie ostre igły wolframowe. Następnie załaduj przygotowaną igłę wolframową na głowicę sondy. Włóż wolframową głowicę sondy igłowej in situ do uchwytu TEM z odlewaną, przeciętą na pół siatką TEM i małą torbą na rękawiczki do schowka na argon.Zdrap lit metalowy za pomocą przygotowanej wolframowej głowicy sondy igłowej i zamontuj igłę wolframową obciążoną litem do uchwytu TEM in situ. Umieść zmontowany na miejscu uchwyt TEM w małej torbie na rękawiczki. Po zamknięciu małego worka na rękawiczki wyjmij go ze schowka.Uszczelnić pusty goniometr TEM dużą torbą rękawicową i włożyć zamkniętą małą torbę na rękawiczki zawierającą zmontowany na miejscu uchwyt TEM do dużej torby na rękawice. Napompuj i przedmuchnij dużą torbę rękawicową gazem obojętnym więcej niż trzy razy. Następnie otwórz małą torbę i włóż zmontowany na miejscu uchwyt TEM.Należy pamiętać, że niewielka ekspozycja na powietrze tworzy warstwę tlenku litu na licie. Ta warstwa tlenku litu działa jak stały elektrolit. Następnie podłącz między uchwytem TEM in situ, jego jednostką sterującą i źródłem prądu napięciowego.Znajdź siatkę TEM przeciętą na pół. Następnie przesuń goniometr, aby ustawić siatkę w eucentrycznej pozycji TEM. Następnie znajdź igłę wolframową z litem pokrytym tlenkiem litu.Uruchamianie chybotania etapu TEM. Po ustawieniu igły na wysokości eucentrycznej poprzez zgrubny ruch uchwytu in situ, przesuń igłę blisko siatki poprzez zgrubny ruch XY uchwytu, a gdy igła zbliża się do siatki, powiększenie jest zwiększane. Przesunąć igłę do przodu do siatki, aby nawiązać fizyczny kontakt między litem pokrytym tlenkiem litu a nanocząstkami krzemu pokrytymi dwutlenkiem tytanu poprzez precyzyjny ruch głowicy sondy piezoelektrycznej uchwytu in situ.Ustaw odpowiednie powiększenie i szybkość dawki wiązki elektronów. Następnie przyłóż napięcie między nanocząstkami krzemu a litem za pomocą źródła napięcia prądu i uchwyć serię obrazów, aby zarejestrować procesy litiacji i delitacji przez warstwę powłoki. Najpierw załaduj obraz TEM.Następnie wybierz narzędzie do zaznaczania wielokątów i narysuj wielokąt do cząstki docelowej. Następnie zmierz obszar narysowanego wielokąta i porównaj zmierzony obszar między różnymi obrazami TEM, aby oszacować zmianę obszaru w różnych punktach podczas procesu litowania i rozróżniania. Uzyskano obrazy TEM litacji na cząstkach krzemu pokrytych dwutlenkiem tytanu.Pięcionanometrowa powłoka pokazuje, że na całym obszarze nastąpiła znaczna ekspansja, a powłoka nie została zerwana podczas ogromnej ekspansji. W przypadku powłoki 10-nanometrowej doszło do stosunkowo niewielkiej ekspansji nawet przez dłuższy czas litowania i powłoka została zerwana po dwóch minutach. Podczas litacji pięcionanometrowa powłoka wykazała około dwukrotną ekspansję powierzchniową, podczas gdy 10-nanometrowa powłoka wykazała tylko 1,2-krotną ekspansję powierzchniową, co pokazuje, że szybkość rozszerzania była sześciokrotnie szybsza w przypadku pięcionanometrowej powłoki.Odpowiednia grubość warstwy tlenku litu jest wymagana do udanego eksperymentu, dlatego kontrolowanie ilości ekspozycji powietrza jest krytycznym krokiem. Postępując zgodnie z tą procedurą wytwarzania mikrobaterii wewnątrz można również zwizualizować propagację jonów helowo-sodowych przez interfejsy elektrod i elektrolitów. Ta metoda analizy przydatności poszczególnych powłok w oparciu o prosty TEM in situ z pewnością przyspieszy wybór idealnych powłok anodowych, katodowych i elektrolitowych, a tym samym komercjalizację akumulatorów półprzewodnikowych.

screening-coatings-for-an-all-solid-state-battery-using-situ

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Opisano zastosowanie obrazowania kontrastowego z kanałem elektronowym w skaningowym mikroskopie elektronowym do charakteryzowania defektów w cienkich warstwach heteroekspeksjalnych III-V/Si. Metoda ta daje podobne wyniki do transmisyjnej mikroskopii elektronowej w widoku planowym, ale w znacznie krótszym czasie ze względu na brak wymaganego przygotowania próbki.

Obrazowanie kontrastowe z kanałem elektronowym do szybkiej charakterystyki heteroepitaksjalnej III-V

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Przedstawiono protokół wytwarzania elektrochemicznie aktywnych nanobaterii litowo-jonowych litowo-jonowych na bazie litów litowo-jonowych opartych na elektrochemicznie aktywnych LiPON przy użyciu skupionej wiązki jonów.

Produkcja skupionej wiązki jonów półprzewodnikowych nanobaterii litowo-jonowych na bazie LiPON do testów in situ

Tutaj prezentujemy protokół dla typowych eksperymentów miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (sXAS) i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS) z zastosowaniem w badaniach materiałów akumulatorowych.

Wrażliwe na pierwiastki wykrywanie chemii w bateriach za pomocą miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego

Tutaj prezentujemy protokół produkcji i przygotowania płynnego ogniwa grafenowego do obserwacji w mikroskopii elektronowej in situ, wraz z syntezą materiałów elektrodowych i testami elektrochemicznych ogniw akumulatorowych.

Przygotowanie ogniw ciekłych grafenu do obserwacji materiału baterii litowo-jonowych

Techniki kriogenicznej skupionej wiązki jonów (FIB) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) mogą dostarczyć kluczowych informacji na temat chemii i morfologii nienaruszonych granic faz ciało stałe-ciecz. Szczegółowo omówiono metody sporządzania wysokiej jakości map spektroskopowych takich interfejsów z dyspersją energii (EDX), ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń do magazynowania energii.

Charakterystyka granic faz ciecz-ciało stałe w nanoskali poprzez sprzężenie kriofokusowego mielenia wiązki jonów ze skaningową mikroskopią elektronową i spektroskopią

Tutaj prezentujemy protokół przeprowadzania eksperymentów z reakcjami na gaz zamkniętymi in situ TEM, jednocześnie szczegółowo opisując kilka powszechnie stosowanych metod przygotowania próbek.

Przeprowadzanie reakcji gazowych in situ w komórkach zamkniętych w transmisyjnym mikroskopie elektronowym

Poznaj metodę przesiewania powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ. Technika ta pozwala ocenić materiały powłokowe i grubość powłoki na nanocząstkach krzemu.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Przeglądaj więcej filmów