In situ透過型電子顕微鏡を用いた全固体電池用コーティングのスクリーニング

電極と電解質のコーティングは、全固体電池の安定性と長期的な性能を確保するために重要です。当社のスクリーニング方法は、簡単なin situTEM研究に基づいており、理想的なコーティング材料、コーティングの厚さ、単層または多層コーティング、およびベースコーティング手順を決定するのに役立ちます。コーティングはシリコンナノ粒子に適用されます。

リチウム化および脱リチウム化中のシリコンのよく知られた急激な体積変化により、比較的低い倍率で、したがって低い電子線量率でコーティングを介したリチウム化および脱リチウム化を追跡できるため、電子線の損傷はありません。本日は、私のグループのポスドク研究員であるJunbeom Park博士が手順を実演します。ER-Cインスティテュートのポスドク研究員であるジョ・ジャンヒョン博士も、手順のデモンストレーションを支援します。

まず、きれいなスライドガラスの上にレースフォームを含む3ミリメートルのTEMグリッドを配置して、ハーフカットTEMグリッドを準備します。次に、TEMグリッドをかみそりの刃でハーフカットグリッドにカットします。次に、二酸化チタンでコーティングされたシリコンナノ粒子をアセトンに分散させ、ピペットでハーフカットTEMグリッドの1つにドロップキャストします。

ニッパーを使用してタングステン線を長さ0.5〜1センチメートルの小片に切断します。きれいなスライドガラスで導電性接着剤の2つの成分を混合した後、導電性接着剤でハーフカットグリッドにタングステンワイヤーを接着します。その後、導電性接着剤を安全な場所で室温で4時間乾燥させて硬化させます。

ニッパーでタングステン線を長さ約2センチの小片に切断し、電解研磨機に取り付けます。10ミリリットルのビーカーに水酸化ナトリウム1リットルあたり1.3モルの50%と50%エタノールを混ぜる。ビーカーから電解質を運ぶための対電極の適切な可動範囲を設定します。

タングステン線が2つに切断されるまで電圧を印加し、2本の鋭いタングステン針を作ります。次に、準備したタングステン針をプローブヘッドにロードします。タングステンニードルロードプローブヘッドを、ドロップキャストされたハーフカットTEMグリッドと小さなグローブバッグを備えたその場TEMホルダーをアルゴングローブボックスに挿入します。

準備したタングステン針プローブヘッドでリチウム金属を引っ掻き、リチウム装填タングステン針をin situTEMホルダーに取り付けます。組み立てたその場TEMホルダーを小さなグローブバッグに入れます。小さなグローブバッグを閉じた後、グローブボックスから取り出します。

空のTEMゴニオメーターを大きなグローブバッグで密封し、組み立てられたin situTEMホルダーを含む閉じた小さなグローブバッグを大きなグローブバッグに入れます。大きなグローブバッグをポンプで送り、不活性ガスで3回以上パージします。次に、小さなバッグを開き、組み立てられたその場TEMホルダーを挿入します。

わずかな空気暴露は、リチウム上に酸化リチウム層を形成することに留意されたい。この酸化リチウム層は固体電解質として機能します。次に、in situTEMホルダー、その制御ユニット、および電圧電流源間のケーブルを接続します。

ハーフカットTEMグリッドを見つけます。次に、ゴニオメーターを動かして、グリッドをTEMのユーセントリック位置に配置します。次に、酸化リチウムでコーティングされたリチウムを含むタングステン針を見つけます。

TEMステージのウォブリングを実行します。in situホルダーの粗い動きによって針をユーセントリックな高さに位置付けた後、ホルダーの粗いXY移動によって針をグリッドに近づけ、針がグリッドに近づくにつれて倍率が増加します。針をグリッド前方に動かして、in situホルダーのピエゾプローブヘッドの微細な動きによって酸化リチウム被覆リチウムと二酸化チタン被覆シリコンナノ粒子との間に物理的接触させる。

適切な倍率と電子線量率を設定します。次に、電流電圧源を使用してシリコンナノ粒子とリチウムの間に電圧を印加し、画像シリーズをキャプチャして、コーティング層を介したリチウム化および脱リチウム化プロセスを記録します。まず、TEM画像をロードします。

次に、ポリゴン選択ツールを選択し、ターゲットパーティクルにポリゴンを描画します。次に、描画されたポリゴンの面積を測定し、測定された面積をさまざまなTEM画像間で比較して、リチウム化および脱リチウム化プロセス中のさまざまなポイントでの面積の変化を推定します。二酸化チタン被覆シリコン粒子のリチウム化のTEM像を得た。

5ナノメートルのコーティングは、領域全体で有意な膨張が起こり、巨大な膨張の間にコーティングが壊れなかったことを示しています。10ナノメートルのコーティングの場合、より長いリチウム化時間でも比較的小さな膨張が起こり、2分後にコーティングが破壊されました。リチウム化中、5ナノメートルのコーティングケースは約2倍の面膨張を示したのに対し、10ナノメートルのコーティングケースは1.2倍の面膨張しか示さず、5ナノメートルのコーティングケースでは6倍の膨張速度を示した。

実験を成功させるには、適切な厚さの酸化リチウム層が必要であり、したがって、空気曝露量を制御することは重要なステップです。この手順に従って、電極と電解質界面を通るヘリウム-ナトリウムイオンの伝播内部のマイクロバッテリー製造も視覚化できます。単純なin situTEMに基づいて特定のコーティングの適合性を分析するこの方法は、理想的なアノード、カソード、および電解質コーティングの選択を確実に早め、したがって全固体電池の商業化を促進します。