In Situ Transmission Electron Microscopy를 사용한 전고체 배터리용 코팅 스크리닝

전극 및 전해질 코팅은 전고체 배터리 안정성과 장기적인 성능을 보장하는 데 매우 중요합니다. 간단한 현장 TEM 연구를 기반으로 한 당사의 스크리닝 방법은 이상적인 코팅 재료, 코팅 두께, 단층 또는 다층 코팅 및 기본 코팅 절차를 결정하는 데 도움이 됩니다. 코팅은 실리콘 나노 입자에 적용됩니다.

리튬화 및 탈리화 동안 실리콘의 잘 알려진 급격한 부피 변화는 상대적으로 낮은 배율로 코팅을 통해 리튬화 및 탈리화를 추적할 수 있게 하여 전자빔 손상을 보장하지 않는 낮은 전자 선량률로 추적할 수 있습니다. 오늘은 우리 그룹의 박사후 연구원 인 박준범 박사가 절차를 시연 할 것입니다. ER-C Institute의 박사후 연구원 인 Janghyun Jo 박사도 절차를 시연하는 데 도움을 줄 것입니다.

시작하려면 레이스 폼이 있는 3mm TEM 그리드를 깨끗한 유리 슬라이드에 배치하여 하프 컷 TEM 그리드를 준비합니다. 그런 다음 면도날을 사용하여 TEM 그리드를 반쯤 자른 그리드로 자릅니다. 다음으로, 이산화 티타늄으로 코팅 된 실리콘 나노 입자를 아세톤에 분산시키고 피펫으로 하프 컷 TEM 그리드 중 하나에 드롭 캐스트합니다.

집게를 사용하여 텅스텐 와이어를 길이 0.5-1 센티미터의 작은 조각으로 자릅니다. 깨끗한 슬라이드 유리에 전도성 접착제의 두 가지 구성 요소를 혼합 한 후 하프 컷 그리드에 텅스텐 와이어를 전도성 접착제로 붙입니다. 그런 다음 전도성 접착제를 안전한 장소에서 4시간 동안 실온에서 건조하여 경화시킵니다.

니퍼를 사용하여 텅스텐 와이어를 약 2cm 길이의 작은 조각으로 자르고 텅스텐 와이어를 전해 연마기에 장착합니다. 10 밀리리터 비커에 수산화 나트륨 리터당 1.3 몰의 50 %와 50 % 에탄올을 섞는다. 비커에서 전해질을 운반하기 위해 상대 전극의 적절한 가동 범위를 설정하십시오.

텅스텐 와이어가 두 조각으로 절단되어 두 개의 날카로운 텅스텐 바늘이 될 때까지 전압을 가하십시오. 그런 다음 준비된 텅스텐 바늘을 프로브 헤드에 로드합니다. 드롭 캐스트, 하프 컷 TEM 그리드 및 작은 글러브 백이 있는 텅스텐 바늘 장착 프로브 헤드 in situ TEM 홀더를 아르곤 글러브 박스에 삽입합니다.

준비된 텅스텐 니들 프로브 헤드로 리튬 금속을 긁고 리튬이 로드된 텅스텐 니들을 현장 TEM 홀더에 장착합니다. 조립된 현장 TEM 홀더를 작은 글러브 백에 넣습니다. 작은 글러브 백을 닫은 후 글러브 박스에서 꺼냅니다.

큰 글러브 백으로 빈 TEM 고니오미터 주위를 밀봉하고 조립된 현장 TEM 홀더가 들어 있는 닫힌 작은 글러브 백을 큰 글러브 백에 넣습니다. 불활성 가스로 큰 글러브 백을 펌핑하고 3회 이상 퍼지합니다. 그런 다음 작은 가방을 열고 조립된 현장 TEM 홀더를 삽입합니다.

약간의 공기 노출은 리튬에 리튬 산화물 층을 형성합니다. 이 리튬 산화물 층은 고체 전해질로서 작용한다. 그런 다음 현장 TEM 홀더, 제어 장치 및 전압 전류 소스 사이에 케이블을 연결합니다.

하프 컷 TEM 그리드를 찾습니다. 그런 다음 고니오미터를 움직여 그리드를 TEM의 유센트릭 위치에 배치합니다. 다음으로 리튬 산화물 코팅 리튬이 있는 텅스텐 바늘을 찾습니다.

TEM 스테이지 흔들림을 실행합니다. in situ 홀더의 거친 움직임에 의해 바늘을 유센트릭 높이로 찾은 후 홀더의 거친 X-Y 이동으로 바늘을 그리드에 가깝게 이동하고 바늘이 그리드에 가까워질수록 배율이 증가합니다. 바늘을 그리드 앞으로 움직여 in situ 홀더의 피에조 프로브 헤드의 미세한 움직임에 의해 리튬 산화물 코팅 리튬과 티타늄 이산화물 코팅 실리콘 나노입자 사이의 물리적 접촉을 만든다.

적절한 배율과 전자빔 선량률을 설정하십시오. 그런 다음 전류 전압원을 이용하여 실리콘 나노입자와 리튬 사이에 전압을 인가하고 코팅층을 통한 리튬화 및 탈리화 과정을 기록하기 위해 일련의 이미지를 캡처한다. 먼저 TEM 이미지를 로드합니다.

그런 다음 다각형 선택 도구를 선택하고 대상 입자에 다각형을 그립니다. 그런 다음 그려진 다각형의 면적을 측정하고 다양한 TEM 이미지 중에서 측정된 면적을 비교하여 리튬화 및 탈리화 과정 중 서로 다른 지점에서 면적의 변화를 추정합니다. 이산화티타늄 코팅된 실리콘 입자 상의 리튬화의 TEM 이미지를 수득하였다.

5 나노 미터 코팅은 전체 영역에서 상당한 팽창이 발생했으며 거대한 팽창 중에 코팅이 깨지지 않았 음을 보여줍니다. 10나노미터 코팅의 경우, 리튬화 시간이 길어도 비교적 작은 팽창이 일어나 2분 후에 코팅이 깨졌다. 리튬화 과정에서 5나노미터 코팅 케이스는 약 2배 면적 팽창을 보인 반면, 10나노미터 코팅 케이스는 1.2배 면적 팽창에 그쳐 5나노미터 코팅 케이스의 경우 팽창 속도가 6배 더 빨랐음을 입증했다.

성공적인 실험을 위해서는 적절한 두께의 리튬 산화물 층이 필요하므로 공기 노출량을 제어하는 것이 중요한 단계입니다. 이 마이크로 배터리 제조 절차에 따라 전극 및 전해질 계면을 통한 헬륨-나트륨 이온 전파도 시각화할 수 있습니다. 간단한 현장 TEM을 기반으로 특정 코팅의 적합성을 분석하는 이 방법은 이상적인 양극, 음극 및 전해질 코팅의 선택을 확실히 빠르게 진행하여 전고체 배터리의 상용화를 가속화할 것입니다.