Yerinde İletim Elektron Mikroskobu Kullanılarak Tamamen Katı Hal Pili için Kaplamaların Taranması

Elektrot ve elektrolit kaplamalar, tamamen katı hal pil kararlılığını ve uzun vadeli performansı sağlamak için kritik öneme sahiptir. Basit bir yerinde TEM çalışmasına dayanan tarama yöntemimiz, ideal kaplama malzemesini, kaplama kalınlığını, tek katmanlı veya çok katmanlı kaplamayı ve taban kaplama prosedürlerini belirlememize yardımcı olur. Kaplamalar silikon nanopartiküller üzerine uygulanır.

Litiasyon ve delitiasyon sırasında silikonun iyi bilinen sert hacim değişimi, kaplama boyunca litiasyon ve delithiasyonu nispeten düşük büyütmede ve böylece elektron ışını hasarı sağlamayan düşük elektron doz hızında izlememizi sağlar. Bugün, grubumdan doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Junbeom Park, prosedürü gösterecek. ER-C Enstitüsü'nden doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Janghyun Jo da prosedürün gösterilmesine yardımcı olacaktır.

Başlamak için, dantelli köpüklü üç milimetrelik TEM ızgaralarını temiz bir cam slayt üzerine yerleştirerek yarım kesilmiş bir TEM ızgarası hazırlayın. Ardından, TEM ızgarasını bir tıraş bıçağı ile yarı kesilmiş ızgaralara kesin. Daha sonra, titanyum dioksit kaplı silikon nanopartikülleri aseton içine dağıtın ve bir pipet ile yarı kesilmiş TEM ızgaralarından birine dökülür.

Bir nipel kullanarak bir tungsten teli 0,5 ila 1 santimetre uzunluğunda küçük parçalar halinde kesin. İletken yapıştırıcının iki bileşenini temiz sürgü camı üzerinde karıştırdıktan sonra, tungsten teli yarı kesilmiş ızgaraya iletken yapıştırıcı ile yapıştırın. Ardından, iletken yapıştırıcıyı oda sıcaklığında dört saat boyunca güvenli bir yerde kurutarak kürleyin.

Tungsten teli bir nipel kullanarak yaklaşık iki santimetre uzunluğunda küçük parçalara ayırın ve tungsten telini elektro-parlatma makinesine monte edin. 10 mililitrelik bir beherde litre sodyum hidroksit ve% 50 etanol başına 1.3 molün% 50'sini karıştırın. Elektroliti beherden taşımak için bir sayaç elektrodunun uygun hareketli aralığını ayarlayın.

Tungsten teli iki parçaya bölünene kadar voltajı uygulayın, bu da iki keskin tungsten iğnesi ile sonuçlanır. Ardından, hazırlanan tungsten iğnesini prob kafasına yükleyin. Tungsten iğne yüklü prob kafasını yerinde TEM tutucuya, damla dökümlü, yarı kesilmiş TEM ızgarası ve küçük torpido çantası ile argon torpido gözüne yerleştirin.

Lityum metali hazırlanan tungsten iğne prob kafası ile çizin ve lityum yüklü tungsten iğnesini yerinde TEM tutucuya monte edin. Monte edilmiş yerinde TEM tutucuyu küçük bir torpido torbasına koyun. Küçük torpido çantasını kapattıktan sonra torpido gözünden çıkarın.

Boş TEM gonyometresinin etrafını büyük bir torpido çantası ile kapatın ve monte edilmiş yerinde TEM tutucuyu içeren kapalı küçük torpido çantasını büyük torpido çantasına koyun. Büyük torpido çantasını inert gazla üç defadan fazla pompalayın ve boşaltın. Ardından, küçük torbayı açın ve monte edilmiş yerinde TEM tutucuyu yerleştirin.

Hafif hava maruziyetinin lityum üzerinde bir lityum oksit tabakası oluşturduğunu unutmayın. Bu lityum oksit tabakası katı elektrolit görevi görür. Ardından, kabloları yerinde TEM tutucu, kontrol ünitesi ve voltaj akımı kaynağı arasında bağlayın.

Yarı kesilmiş TEM ızgarasını bulun. Ardından, ızgarayı TEM'in ösentrik konumuna yerleştirmek için gonyometreyi hareket ettirin. Ardından, lityum oksit kaplı lityum ile tungsten iğnesini bulun.

TEM sahne alanını yalpalayarak çalıştırın. İğneyi in situ tutucunun kaba hareketi ile ösentrik yüksekliğe yerleştirdikten sonra, tutucunun kaba XY hareketi ile iğneyi ızgaraya yaklaştırın ve iğne ızgaraya yaklaştıkça büyütme artar. Lityum oksit kaplı lityum ile titanyum dioksit kaplı silikon nanopartiküller arasında, in situ tutucunun piezo prob kafasının ince hareketi ile fiziksel temas kurmak için iğneyi ızgaraya doğru ilerletin.

Uygun büyütme ve elektron ışını doz oranını ayarlayın. Ardından, akım voltaj kaynağını kullanarak silikon nanopartiküller ve lityum arasında bir voltaj uygulayın ve kaplama tabakası boyunca litiasyon ve delithiasyon işlemlerini kaydetmek için görüntü serisini yakalayın. İlk olarak, TEM görüntüsünü yükleyin.

Ardından, çokgen seçim aracını seçin ve hedef parçacığa bir çokgen çizin. Ardından, çizilen çokgenin alanını ölçün ve litiasyon ve delitiasyon işlemi sırasında farklı noktalardaki alandaki değişimi tahmin etmek için ölçülen alanı çeşitli TEM görüntüleri arasında karşılaştırın. Titanyum dioksit kaplı silikon partiküller üzerinde litiasyonun TEM görüntüleri elde edildi.

Beş nanometrelik kaplama, tüm alanda önemli bir genişlemenin meydana geldiğini ve kaplamanın büyük genişleme sırasında kırılmadığını göstermektedir. 10 nanometre kaplama durumunda, daha uzun bir litikasyon süresi için bile nispeten küçük bir genişleme meydana geldi ve kaplama iki dakika sonra kırıldı. Litiasyon sırasında, beş nanometre kaplama kutusu yaklaşık iki kat alan genişlemesi gösterirken, 10 nanometre kaplama kutusu sadece 1.2 kat alan genişlemesi gösterdi ve bu da genişleme oranının beş nanometre kaplama durumunda altı kat daha hızlı olduğunu gösterdi.

Başarılı bir deney için uygun lityum oksit tabakası kalınlığı gereklidir, bu nedenle havaya maruz kalma miktarını kontrol etmek kritik bir adımdır. Bu prosedürün ardından mikro-pil üretimi içinde helyum-sodyum iyonunun elektrot ve elektrolit arayüzleri aracılığıyla yayılması da görselleştirilebilir. Basit bir yerinde TEM'e dayanan belirli kaplamaların uygunluğunu analiz etmenin bu yöntemi, ideal anot, katot ve elektrolit kaplamaların seçimini ve böylece tüm katı hal pillerinin ticarileştirilmesini kesinlikle hızlandıracaktır.