提出了一种利用聚焦离子束制备电化学活性 LiPON 的固态锂离子 nanobatteries 的协议。
固态电解质是目前有机液体电解质的一个有希望的替代品, 能够提高能量密度, 提高锂离子电池的安全性。然而, 许多挫折阻碍了它们融入商业设备。主要限制因素是由于在电极/电解质界面上发生的纳米尺度现象, 最终导致电池运行的退化。这些关键问题是非常具有挑战性的观察和特点, 因为这些电池包含多个埋入接口。一种直接观察薄膜电池界面现象的方法是通过聚焦离子束 (nanobatteries) 制备电化学活性的。因此, 在最近的工作中开发并展示了一种可靠的制造 nanobatteries 的技术。在此, 提出了一个分步过程的详细协议, 以使这个奈米电池的制作过程得以重现。特别是, 该技术被应用于由 LiCoO2/LiPON/Si 组成的薄膜电池, 并在透射电子显微镜中进一步证明了原位循环。
聚焦离子束 (心室) 主要用于透射电镜 (TEM) 标本制备和电路编辑1,2。在过去的两年中, 纳米加工使用了很大的进展, 重点是半导体材料 3.尽管其对科学进步的重要性, 但仍然存在的主要问题, 包括表面损坏, 重新沉积, 和优先溅射由于高电流密度4,5。在 TEM 标本的制备过程中, 已经有好几篇关于对大块材料产生损伤的文章, 并提出了一些减少此种损坏的方法6,7,8,9。然而, 由多个具有不同功能的层组成的活动设备的谎言制作仍然是有限的。
对于固态设备, 特别是在能量存储领域, 接口起着至关重要的作用, 而固-固界面通常被看作是阻抗10的主要来源。由于在单个设备中存在多个接口, 因此这些接口的特征特别难以描述, 因为它们的埋藏性质和数据卷积相结合。完全固态 nanobatteries 的制备对于探测和理解这些界面的动态特性是至关重要的, 这最终会影响电池的电化学过程。基于锂磷氮化 (LiPON) 的薄膜电池在两年前被证明, 目前商业化的是11。虽然从薄膜电池中进行电化学活性 nanobatteries 的制作是至关重要的, 可以对接口进行就地评估, 但大多数试图利用 nanobatteries 制造的使用不保留电化学活动, 因为短路12。在就地循环中的初始尝试只细化了奈米电池的一小部分, 以观察电子全息13的锂分布.
最近的工作证明了电化学活性 nanobatteries 的成功的谎言制作, 这既启用了前原位和原位扫描透射电子显微镜 (茎) 和电子能量损耗光谱学 (鳗鱼) 界面现象的特征14,15。重要的谎言制造参数, 有助于保持电化学活动已表明 Santhanagopalan et 等。14, 本手稿中介绍了详细的协议。这个过程是基于一个模型 LiCoO2/LiPON/Si 电池, 但最终将使探索进一步的薄膜电池化学。
正如我们的结果所证明的, 所描述的技术产生的电化学活性 nanobatteries 从一个更大的薄膜电池。通过 galvanostatically 偏置奈米电池, 这种技术已启用了前置和原位茎/鳗鱼的特征. 这使得对与电化学电荷相关的定量化学现象进行空前高分辨率的表征。然而, 为了实现这些结果, 必须克服一些具体的障碍。
在开始处理之前, 应进行恒定电流测试, 以确保奈米电池的阴极和阳极有低噪声的电通路。阴极侧测试可以执行与室通气。在奈米电池制造前, 将正极端子连接起来, 就像执行实验 (通过真空馈或舞台地面), 负极端子直接连接到舞台上。请注意, 如果使用触摸报警器作为舞台连接, 仪器的触控报警能力可能会被禁用, 只有在不需要进一步倾斜的情况下才会进行连接。然而, 这里的测试将要求系统在真空下, 电流将通过机器人和舞台电路。机器人可以电粘附铂到铜网格为恒定的电流噪声测试。如果当前解决问题持续存在, 请与供应商联系, 以了解如何将舞台与系统地面脱钩的信息。
为了使这种技术起作用, 使用所提供的离子束规格来最小化对固体电解质 LiPON 的损伤是至关重要的。LiPON 是高度敏感的长期暴露于 (i) 潮湿的大气条件, (ii) 电子束, 和 (iii) 离子束。因此, 固态奈米电池制造过程要求尽量减少暴露在所有三的这些条件。应绝对减少对大气条件的前期和后加工接触。描述的就地的循环过程被开发为一个解决方案, 以尽量减少这种暴露。在制造过程中, 电子束成像应受到限制, 因为它损害了固体电解质。同样, 离子束成像也应限于避免电解质和其它活性成分的降解。具体的铣削文件和时间是基于在特定试剂、设备和制造商的材料/设备表中列出的设备;这可能是不同的谎言仪器, 并可能需要修改时, 使用其他仪器。
在奈米电池的所有参数中, 最关键的考虑是使用低光束电流和停留时间来最小化损坏 14.每当需要时, 成像是用电子在低像素停留时间和离子束在较低的光束电流 (通常在 pA) 和低停留时间 (100 ns)。大部分时间, 高停留时间电子束成像产生可见变化的 LiPON 电解质。图 7a显示未损坏的 LiPON, 并且通过电子束进一步成像会导致 LiPON 层的损坏, 如图 7b所示。这种损害是不可逆转的, 导致对比变化, 并将使奈米电池电化学不活跃。
此外, 对于电化学循环, 必须适当地注意使阴极电流收集器和网格之间的电接触正确 (图 6b)。保持与阳极的机器人接触同样重要 (图 6);如图 8a中所示, 在150s 周围, 电化学数据中的尖峰对应于与阳极的振动诱发的接触问题。考虑到机器人阳极接触的不稳定性可能, 通过限制奈米电池容量来最小化原位测试时间, 从而减少充电时间.
如果电压剖面与薄膜电池不一致, 则重复清洗过程, 因为可能会出现一些重新沉积导致短路问题 (图 10)。特别是阳极隔离步骤是重新沉积材料的一个很大的来源。这种清洗程序减少了奈米电池截面, 因此应相应地修正电流密度。据指出, 离子束损伤不能完全避免, 它被限制在几 nm 之间的最大25毫微米到表面, 计算从离子散射模拟 SRIM 程序30凯文 Ga+到电极材料18。低能耗处理可以在很大程度上减少19的损坏。这里演示的这个过程是独一无二的, 在纳米器件的制造、操作和原位测试中, 都是由 “颤-SEM” 双光束系统启用的. 可以将该过程扩展到任何其他电池化学和其他纳米器件。
值得注意的是, 本协议中提供的具体参数可能不能直接传递给交替的电化学系统。在高扫描速率下, LiPON 被确定对离子束的热效应敏感。然而, 其他电解质可能受到其他敏感性。同样, 尽管本协议中测试的材料系统在 Ga+离子铣削后表现出良好的电化学, 但其他材料系统可能更容易受到离子落伍和注入的影响。因此, 对于替代材料系统, 可能需要更多地探索参数空间。更敏感的材料, 如硫化物可能在离子磨后表现不佳, 虽然这一领域的研究主要是未开发的先进的表征技术。实际上, 这些参数将转化为最感兴趣的物质系统, 因为现代固体电解质一般是结晶性的, 比 LiPON 更健壮。尽管有这些潜在的限制, 该技术将应用于新材料系统, 提供了发现交替界面现象的潜力, 最终揭示了阻抗机制。这项技术的一个自然的后续行动是观察电化学循环在 TEM。这是在本协议中描述的系统上执行的, 并在这些接口上发现了以前看不见的行为。这项技术将使观测的交替形式的阻抗。
The authors have nothing to disclose.
作者承认, 美国能源部, 基础能源科学办公室, 根据奖项编号 DE-SC0002357, 为开发全固态电池和就地的谎言和 TEM 持有人的发展提供资金支持。与国家实验室的合作是可能的, 部分支持东北化学能源储存中心, 能源前沿研究中心, 由美国能源部, 基础能源科学办公室, 根据该奖项数字 DE-SC0001294。这项研究使用了功能性纳米材料中心的资源, 这是美国能源部科学设施办公室, 在布鲁克黑文国家实验室根据合同编号。DE-SC0012704。这项工作是在圣地亚哥纳米技术基础设施 (SDNI) 的一部分进行的, 它是国家纳米技术协调基础设施的成员, 由国家科学基金会 (赠款 ECCS-1542148) 支持。在美国加州大学欧文分校材料研究所 (IMRI) 的部分工作是在空间-时间限制 (CHE-082913) 部分由国家科学基金会化学中心资助的仪器进行的。我们感谢南茜 Dudney, 橡树岭国家实验室为我们提供了薄膜电池。J.L. 承认尤金 Cota-罗伯斯奖学金计划的支持, 并感谢印度塞族, 拉马努金奖学金 (SB/S2/RJN-100/2014)。
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