Fabricação de feixe de íon focalizado de estado sólido baseados em LiPON de lítio-íon Nanobatteries para In Situ testes

O objetivo geral deste experimento é usar um sistema de feixe de íons focado em feixe duplo para preparar nanobaterias eletroquimicamente ativas, todas de estado sólido e filme fino para ciclos eletroquímicos in situ. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da eletroquímica de estado sólido, descobrindo a natureza das interfaces sólido-sólido enterradas, incluindo sua estabilidade termodinâmica e eletroquímica durante o ciclo. A principal vantagem dessa técnica in situ é que a nanobateria nunca é exposta a fatores externos, permitindo uma visão desimpedida dos processos dinâmicos que limitam a operação da bateria de estado sólido.

A preparação do grupo Tarascon da primeira seção transversal de bateria de filme fino nos inspirou a ir além e fabricar uma nanobateria eletroquimicamente ativa que permite a caracterização in situ. Comece preparando uma amostra para o experimento. Este é um exemplo de uma bateria de filme fino usada para o protocolo.

As camadas ativas da bateria estão em uma região de dois milímetros de diâmetro em um substrato aluminoso. Detalhes de sua estrutura são fornecidos neste esquema. O substrato é óxido de alumínio.

Acima disso, está um coletor de corrente catódica de platina, seguido por um cátodo de óxido de lítio-cobalto. Em seguida, há um eletrólito de oxinitreto de fósforo de lítio, um ânodo de silicone amorfo e um coletor de corrente de ânodo de cobre. O experimento requer um microscópio eletrônico de varredura duplo e um instrumento de feixe de íons focalizado.

Deve ser equipado com um micromanipulador. Outro instrumento necessário é um potenciostato de baixa corrente. Conecte o cabo catódico do potenciostato ao palco por meio de uma passagem elétrica blindada.

Internamente, conecte a passagem ao palco com um fio blindado com uma ponta exposta. Utilizar o potenciostato em modo de corrente constante para realizar um ensaio de ruído de baixa corrente do circuito de passagem. Ao revisar os dados, a resolução atual deve ser menor que um picoamper, como neste exemplo.

Agora conecte o cabo do ânodo do potenciostato ao cabo de aterramento do micromanipulador. Aqui estão as conexões elétricas neste ponto do protocolo. Observe que o exemplo ainda não está montado.

Introduza uma grade de elevação MET de cobre na câmara. A grade deve ser condutora e ter dedos para montar a nanobateria. Quando montado pela primeira vez, os dedos da grade devem estar paralelos ao feixe de elétrons.

Nesta configuração, há um ângulo de 52 graus entre o elétron e o feixe de íons. Aplique fita de carbono dupla face em um cano de microscopia eletrônica de varredura de 25 milímetros e, em seguida, monte a bateria na fita, com o lado aluminoso voltado para baixo. Aplique fita condutora para conectar eletricamente o coletor de corrente ao stub.

Neste ponto, monte o stub com bateria na configuração de feixe duplo. Aqui estão o toco e a bateria na câmara, prontos para o experimento. Para continuar, comece a bombear o sistema para baixo.

Quando estiver pronto, ligue os feixes de elétrons e íons. Quando carregado, o coletor de corrente da bateria é normal à direção do feixe de elétrons. Incline a amostra para que o feixe de íons seja normal ao coletor de corrente da bateria.

Defina a tensão do feixe de íons e o tempo de permanência do pixel do feixe de íons durante o experimento. Comece com o coletor atual. Selecione uma região de 20 micrômetros por dois micrômetros.

Em seguida, use o feixe de íons focalizado para depositar de 1,5 a dois micrômetros de platina organometálica. Em seguida, trabalhe com a pilha de baterias de filme fino ao redor do depósito de platina. Prepare-se para fresar um retângulo com uma profundidade de um micrômetro abaixo da camada de filme ativo.

Use uma opção de fresamento de feixe de íons focalizado em seção transversal de padrão escalonado para fresar. Moer uma região simétrica do outro lado do depósito de platina para definir a nanobateria. Em seguida, use um procedimento de limpeza transversal em ambas as regiões para expor claramente a estrutura em camadas.

Agora, incline a bateria para trás para que seu coletor de corrente fique voltado para o feixe de elétrons. O lado da nanobateria agora está acessível ao feixe de íons. Use rebaixos retangulares criados em cortes em J paralelos para isolar a maior parte da nanobateria.

Em seguida, gire a bateria 180 graus para expor a parte de trás da bateria. Repita as etapas de fresagem para os rebaixos para isolar a parte inferior e as laterais da nanobateria. Para as próximas etapas, gire a amostra em 180 graus novamente.

Neste ponto, insira o micromanipulador na posição de estacionamento. Mova lentamente o micromanipulador para a platina na nanobateria e coloque-o em contato. Prepare-se para fixar o micromanipulador na região de platina da bateria.

Use o feixe de íons para depositar platina para fixar os dois. Uma vez que o micromanipulador esteja conectado, trabalhe para remover a nanobateria da amostra. Identifique a última parte conectada da nanobateria para fresagem.

Moinho de íons esta região para separá-la da amostra. Levante a nanobateria verticalmente com o micromanipulador. Mova a nanobateria para a grade de elevação de cobre.

Coloque a nanobateria em contato com a grade de elevação e prepare-se para montá-la lá. Use o feixe de íons para depositar dois micrômetros de platina para fixá-lo no lugar. Esta é uma visão diferente da nanobateria na grade de elevação.

Em seguida, trabalhe para desconectar o micromanipulador. Providencie para fresar a conexão entre ele e a nanobateria. Íon elimina a conexão entre o micromanipulador e a nanobateria.

Mova o micromanipulador para deixar uma nanobateria montada conectada à grade de cobre. Para as próximas etapas, incline a platina para que o feixe de íons fique paralelo à seção transversal da nanobateria. Perto da borda montada da nanobateria, use um procedimento de limpeza em uma seção de cinco micrômetros de largura.

O procedimento de limpeza é expor uma visão clara das camadas eletroquimicamente ativas. Em seguida, prepare-se para criar contato elétrico entre o coletor de corrente catódica e a grade de cobre. Com um feixe de íons focalizado, deposite platina de 500 nanômetros de espessura para conectar os dois.

Essas imagens mostram o efeito da etapa de deposição de um ângulo diferente. Aqui está a nanobateria antes do depoimento. A platina é evidente nesta imagem após o depoimento.

Prepare-se para usar o feixe de íons para remover um segmento de três micrômetros de largura do ânodo, coletor de corrente anódica e eletrólito. A remoção do segmento isola esses elementos da grade de cobre. Esta é uma visão alternativa da nanobateria após esta etapa.

Isolar o ânodo e o coletor de corrente do ânodo antes de fazer contato elétrico é a etapa mais crucial descrita no protocolo. Sem conexão e isolamento adequados, a nanobateria entrará em curto e não circulará. Em seguida, incline a platina para usar o feixe de íons para aplicar cuidadosamente seções transversais de limpeza retangulares nas laterais da nanobateria para remover o material redepositado.

Após a limpeza, as camadas individuais são claramente visíveis. Engate o micromanipulador e coloque-o em contato com a platina acima do coletor de ânodo. Deposite platina de 0,2 nanômetros de espessura com o feixe de íons para conectar o micromanipulador e o coletor de corrente.

Agora, nos controles do potenciostato, defina os parâmetros atuais e execute o potenciostato no modo de ciclagem galvanostática para realizar o ciclagem in situ. Esta curva representa o perfil de carga eletroquímica de uma nanobateria fabricada por feixe de íons focalizados com uma densidade de corrente de 50 microamperes por centímetro quadrado, mostrando uma capacidade de 12,5 microamperes-hora por centímetro quadrado. Uma curva diferente com uma densidade de corrente mais alta de 1,25 miliamperes por centímetro quadrado resulta em uma capacidade de 105 microamperes-hora por centímetro quadrado.

Ambas as curvas demonstram um platô de 3,6 volts. Aqui estão os perfis de carga e descarga de nanobaterias para uma densidade de corrente de 60 microamperes por centímetro quadrado. A capacidade de carga foi limitada a 30 minutos.

A capacidade de descarga foi limitada a dois volts. Isso demonstra uma reversibilidade de cerca de 35%Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em três horas se for executada corretamente, embora tenha em mente que a duração do ciclismo pode se estender pelo tempo desejado. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de evitar imagens desnecessárias com o feixe E ou o feixe de íons, pois isso pode danificar o dispositivo.

Tendo demonstrado a fabricação de uma nanobateria eletroquimicamente ativa, nanobaterias semelhantes podem ser transferidas para um suporte de ciclagem TEM in situ para uma análise mais abrangente das interfaces durante o ciclo. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como extrair uma seção transversal de uma bateria de filme fino e como fabricar uma nanobateria eletroquimicamente ativa dentro de um FIB de feixe duplo.