Triagem de Revestimentos para uma Bateria de Estado Sólido Utilizando Microscopia Eletrônica de Transmissão In Situ

Revestimentos de eletrodos e eletrólitos são fundamentais para garantir a estabilidade da bateria em estado sólido e o desempenho a longo prazo. Nosso método de peneiramento, baseado em um simples estudo de MET in situ, nos ajuda a determinar o material de revestimento ideal, a espessura do revestimento, o revestimento de camada única ou multicamada, bem como os procedimentos de revestimento de base. Os revestimentos são aplicados sobre nanopartículas de silício.

A conhecida mudança drástica de volume do silício durante a litiação e delitiação nos permite rastrear a litiação e delitiação através do revestimento em ampliação relativamente baixa e, portanto, a uma baixa taxa de dose de elétrons, o que garante nenhum dano ao feixe de elétrons. Hoje, o Dr. Junbeom Park, pesquisador de pós-doutorado do meu grupo, demonstrará o procedimento. O Dr. Janghyun Jo, pesquisador de pós-doutorado do ER-C Institute, também ajudará a demonstrar o procedimento.

Para começar, prepare uma grade de TEM de corte médio colocando as grades de TEM de três milímetros com espuma rendada em uma lâmina de vidro limpa. Em seguida, corte a grade de TEM em grades cortadas pela metade com uma lâmina de barbear. Em seguida, disperse as nanopartículas de silício revestidas com dióxido de titânio em acetona e solte fundidas em uma das grades de MET cortadas pela metade com uma pipeta.

Corte um fio de tungstênio usando um nipper em pequenos pedaços com um comprimento de 0,5 a 1 centímetro. Depois de misturar os dois componentes da cola condutora no vidro deslizante limpo, cole o fio de tungstênio na grade semicortada com cola condutora. Em seguida, cure a cola condutora secando-a à temperatura ambiente em local seguro por quatro horas.

Corte o fio de tungstênio usando um nipper em pequenos pedaços com um comprimento de aproximadamente dois centímetros e monte o fio de tungstênio na máquina de eletropolimento. Misture 50% de 1,3 mols por litro de hidróxido de sódio e 50% de etanol em um copo de 10 mililitros. Ajuste a faixa móvel adequada de um contra-eletrodo para transportar o eletrólito do copo.

Aplique a tensão até que o fio de tungstênio seja cortado em dois pedaços, resultando em duas agulhas afiadas de tungstênio. Em seguida, carregue a agulha de tungstênio preparada na cabeça da sonda. Insira o suporte de MET in situ da cabeça da sonda com agulha de tungstênio com a grade de MET semicortada e o pequeno saco de luvas no porta-luvas de argônio.

Risque o metal de lítio com a cabeça de sonda de agulha de tungstênio preparada e monte a agulha de tungstênio carregada com lítio no suporte de MET in situ. Coloque o porta-MET montado in situ em um pequeno porta-luvas. Depois de fechar o porta-luvas, retire-o do porta-luvas.

Sele ao redor do goniômetro de MET vazio com um porta-luvas grande e coloque o porta-luvas pequeno fechado contendo o porta-luvas montado in situ no porta-luvas grande. Bombeie e limpe o porta-luvas grande com um gás inerte mais de três vezes. Em seguida, abra o pequeno saco e insira o suporte de ETM montado in situ.

Note que a ligeira exposição ao ar forma uma camada de óxido de lítio sobre o lítio. Esta camada de óxido de lítio atua como eletrólito sólido. Em seguida, conecte os cabos entre o suporte de MET in situ, sua unidade de controle e a fonte de corrente de tensão.

Encontre a grade de TEM cortada pela metade. Em seguida, mova o goniômetro para colocar a grade na posição eucêntrica do ETM. Em seguida, encontre a agulha de tungstênio com o lítio revestido com óxido de lítio.

Execute o estágio TEM oscilando. Depois de localizar a agulha à altura eucêntrica pelo movimento grosseiro do suporte in situ, aproxime-a da grade pelo movimento XY grosseiro do suporte e, à medida que a agulha se aproxima da grade, a ampliação é aumentada. Mova a agulha para a frente para a grade para fazer contato físico entre o lítio revestido com óxido de lítio e as nanopartículas de silício revestidas com dióxido de titânio pelo movimento fino da cabeça da sonda piezo do suporte in situ.

Defina a ampliação apropriada e a taxa de dose do feixe de elétrons. Em seguida, aplique uma tensão entre as nanopartículas de silício e lítio usando a fonte de tensão de corrente e capture a série de imagens para registrar os processos de litiação e delitiação através da camada de revestimento. Primeiro, carregue a imagem do TEM.

Em seguida, selecione a ferramenta de seleção de polígono e desenhe um polígono para a partícula de destino. Em seguida, meça a área do polígono desenhado e compare a área medida entre várias imagens de ETM para estimar a mudança na área em diferentes pontos durante o processo de litiação e delitiação. Imagens de MET de litiação em partículas de silício revestidas com dióxido de titânio foram obtidas.

O revestimento de cinco nanômetros mostra que ocorreu uma expansão significativa em toda a área e o revestimento não foi quebrado durante a expansão enorme. No caso do revestimento de 10 nanômetros, uma expansão relativamente pequena ocorreu mesmo por um tempo de litiação mais longo e o revestimento foi quebrado após dois minutos. Durante a litiação, a caixa de revestimento de cinco nanômetros mostrou cerca de duas vezes expansão de areal, enquanto a caixa de revestimento de 10 nanômetros mostrou apenas 1,2 vezes expansão de areal, demonstrando que a taxa de expansão foi seis vezes mais rápida no caso da caixa de revestimento de cinco nanômetros.

A espessura adequada da camada de óxido de lítio é necessária para um experimento bem-sucedido, portanto, controlar a quantidade de exposição ao ar é uma etapa crítica. Seguindo este procedimento de fabricação de micro-baterias dentro do íon hélio-sódio a propagação através de interfaces eletrodo e eletrólito também pode ser visualizada. Este método de análise da adequação de revestimentos particulares baseados em um simples MET in situ certamente acelerará a seleção de revestimentos ideais de ânodo, cátodo e eletrólitos e, portanto, a comercialização de baterias de estado sólido.