Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ
20 stycznia 2023
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.
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.
Przegląd
Niniejsze badanie prezentuje metodę przesiewową potencjalnych powłok w akumulatorach all-solid-state za pomocą in situ transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek krzemu podczas litowania i delitowania, metoda ta pozwala na ocenę materiałów i procedur powlekania.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Nauki materiałowe
- Technologia akumulatorów
- Nanotechnologia
Tło
- Powłoki są niezbędne dla stabilności i wydajności akumulatorów all-solid-state.
- Nanocząstki krzemu ulegają znacznym zmianom objętości podczas cykli ładowania i rozładowania.
- In situ TEM zapewnia metodę obserwacji tych zmian bez uszkodzenia próbek.
- Zrozumienie zachowania powłok jest kluczowe dla optymalizacji wydajności akumulatorów.
Cel badania
- Zidentyfikować idealne materiały i grubości powłok dla nanocząstek krzemu.
- Ocenić skuteczność powłok jednowarstwowych w porównaniu z wielowarstwowymi.
- Ustanowić niezawodną procedurę stosowania i testowania powłok.
Stosowane metody
- Przygotowanie połówkowych krat TEM do umieszczenia próbek.
- Kroplowe nakładanie nanocząstek krzemu pokrytych dwutlenkiem tytanu na krate.
- Wytwarzanie igły wolframowych do sondowania in situ TEM.
- Stosowanie napięcia w celu obserwacji procesów litowania i delitowania.
Główne wyniki
- Pięć-nanometrowe powłoki wykazały znaczne rozszerzenie bez pękania.
- Dziesięcio-nanometrowe powłoki wykazywały mniejsze rozszerzenie i uszkodzenie po dwóch minutach.
- Tempa rozszerzenia były znacznie wyższe dla cieńszych powłok.
- Kontrola ekspozycji na powietrze jest kluczowa dla udanego tworzenia warstwy tlenku litu.
Wnioski
- Metoda in situ TEM skutecznie przesiewa materiały powłokowe dla akumulatorów all-solid-state.
- Grubość powłoki znacząco wpływa na wydajność i stabilność nanocząstek krzemu.
- To podejście może przyspieszyć rozwój komercyjnych akumulatorów all-solid-state.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Rapid and predictive screening of electrode and electrolyte coatings is critical for advancing all-solid-state battery (ASSB) technologies, which are increasingly relevant for high-safety, high-performance energy storage. This in situ TEM-based workflow enables efficient evaluation of coating materials and thicknesses, directly supporting early-stage material selection and de-risking for next-generation battery platforms. The approach accelerates portfolio decisions by providing actionable data on coating stability and interface behavior under operationally relevant conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct visualization of coating integrity and failure modes during dynamic (de)lithiation cycles.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying how coating thickness and composition affect interface stability.
- Facilitates rapid triage of candidate coatings for further development based on real-time performance metrics.
Screening & Assay Development
- Provides a reproducible, low-dose electron microscopy workflow for high-throughput coating assessment.
- Generates quantitative outputs such as areal expansion rates and coating breakage thresholds.
- Standardizes screening conditions to enable reliable comparison across coating types and thicknesses.
Translational & Preclinical Research
- Aligns material selection with downstream manufacturability and long-term battery stability requirements.
- Supports continuity from discovery-stage screening to preclinical validation of coating candidates.
- Reduces risk of late-stage failure by identifying coatings with robust mechanical and electrochemical properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the early discovery-to-lead identification continuum for advanced battery materials, providing a bridge between fundamental material screening and preclinical validation.
- Discovery Biology: Clarifies coating behavior at the solid-solid interface, supporting hypothesis-driven material selection.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative data on coating performance under operational stress.
- Analytics: Enables measurement of expansion rates, coating integrity, and failure points for comparative analysis.
- Translational Research: Informs selection of coatings with properties aligned to real-world battery demands.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, dose-efficient screening platform adaptable to diverse coating chemistries and particle systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in coating selection and reduces mechanistic ambiguity at critical interfaces.
- Operational Value: Streamlines screening with low electron dose requirements and standardized imaging protocols.
- Strategic Value: Enables faster go/no-go decisions for coating candidates, improving capital allocation and reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of materials for further development and commercialization.
Implementation Considerations
- Requires expertise in in situ TEM operation and interpretation of dynamic interface phenomena.
- Demands access to advanced electron microscopy infrastructure and controlled atmosphere sample handling.
- Necessitates cross-team standardization of coating application and imaging parameters.
- Adaptable to various nanoparticle systems and coating chemistries with protocol optimization.
- Air exposure control is critical for reproducible lithium oxide layer formation and experimental success.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:00
Preparation of Half‐Cut TEM Grids with Coated Si Nanoparticles for Checking the Suitability of ALD‐Deposited Titanium Dioxide Coatings
1:53
Preparing the Tungsten Needle
2:37
Loading the Drop‐Casted TEM Grid and Lithium Loaded Tungsten Needle into the In Situ TEM Holder
3:15
Inserting the Assembled In Situ Holder into the TEM
4:02
Performing the In Situ Biasing Experiment in the TEM and Analyzing the TEM Images
5:37
Results: Screening Method of Potential Coatings for All‐Solid‐State Batteries Using In Situ Transmission Electron Microscopy
6:28
Conclusion
