Покрытия электродов и электролитов имеют решающее значение для обеспечения стабильности и длительной работы полностью твердотельных аккумуляторов. Наш метод скрининга, основанный на простом исследовании ПЭМ in situ, помогает нам определить идеальный материал покрытия, толщину покрытия, однослойное или многослойное покрытие, а также процедуры нанесения базового покрытия. Покрытия наносятся на кремниевые наночастицы.
Хорошо известное резкое изменение объема кремния во время литиации и расщепления позволяет нам отслеживать литиацию и расщепление через покрытие при относительно малом увеличении и, следовательно, при низкой мощности дозы электронов, что гарантирует отсутствие повреждения электронным пучком. Сегодня доктор Джунбом Парк, научный сотрудник моей группы, продемонстрирует эту процедуру. Доктор Джанхён Джо, научный сотрудник Института ER-C, также поможет продемонстрировать процедуру.
Для начала подготовьте половинчатую сетку ТЕМ, поместив трехмиллиметровые сетки ТЭМ с кружевной пеной на чистое предметное стекло. Затем разрежьте сетку ТЕМ на половинчатые сетки бритвенным лезвием. Затем диспергируйте кремниевые наночастицы, покрытые диоксидом титана, в ацетон и бросьте пипеткой на одну из половинчатых решеток ПЭМ.
Разрежьте вольфрамовую проволоку с помощью кусачки на небольшие кусачки длиной от 0,5 до 1 сантиметра. После смешивания двух компонентов токопроводящего клея на чистом предметном стекле приклейте вольфрамовую проволоку на полуразрезанную сетку токопроводящим клеем. Затем отверждайте токопроводящий клей, высушив его при комнатной температуре в безопасном месте в течение четырех часов.
Вольфрамовую проволоку разрежьте с помощью кусачки на небольшие кусачки длиной примерно два сантиметра и установите вольфрамовую проволоку на электрополировальную машину. Смешайте 50% 1,3 моль на литр гидроксида натрия и 50% этанола в 10-миллилитровом стакане. Установите правильный подвижный диапазон противоэлектрода для переноса электролита из стакана.
Прикладывайте напряжение до тех пор, пока вольфрамовая проволока не разрежется на две части, в результате чего получатся две острые вольфрамовые иглы. Затем загрузите подготовленную вольфрамовую иглу на головку зонда. Вставьте вольфрамовую игольчатую головку зонда in situ держателя ПЭМ с отлитой наполовину наполовину решеткой ПЭМ и небольшим перчаточным мешком в аргоновый перчаточный ящик.
Поцарапайте металлический литий подготовленной головкой зонда вольфрамовой иглы и установите вольфрамовую иглу с литием, нагруженную литием, на держатель ПЭМ in situ. Поместите собранный на месте держатель ТЕМ в небольшой перчаточный мешочек. Закрыв маленький бардачок, выньте его из бардачка.
Запечатайте пустой гониометр ТЕА большим перчаточным мешком и поместите закрытый маленький бардачок, содержащий собранный на месте держатель ТЕА, в большой перчаточный мешок. Прокачайте и продуйте большой бардачок инертным газом более трех раз. Затем откройте маленький мешочек и вставьте собранный на месте держатель TEM.
Обратите внимание, что небольшое воздействие воздуха образует слой оксида лития на литии. Этот слой оксида лития действует как твердый электролит. Далее подсоедините кабели между держателем ТЭМ in situ, его блоком управления и источником тока напряжения.
Найдите половинчатую сетку ПЭМ. Затем переместите гониометр, чтобы поместить сетку в эуцентрическое положение ПЭМ. Затем найдите вольфрамовую иглу с литием, покрытым оксидом лития.
Запустите раскачивание этапа TEM. После того, как игла расположена на эуцентрической высоте грубым движением держателя in situ, переместите иглу близко к сетке грубым движением держателя XY, и по мере приближения иглы к сетке увеличение увеличивается. Переместите иглу вперед к сетке, чтобы установить физический контакт между литием с покрытием из оксида лития и наночастицами кремния с покрытием из диоксида титана путем тонкого движения головки пьезозонда держателя in situ.
Установите соответствующее увеличение и мощность дозы электронного пучка. Затем приложите напряжение между наночастицами кремния и литием с помощью источника тока напряжения и захватите серию изображений для записи процессов литиации и расделывания через слой покрытия. Сначала загрузите образ TEM.
Затем выберите инструмент выделения многоугольника и нарисуйте многоугольник к целевой частице. Затем измерьте площадь нарисованного многоугольника и сравните измеренную площадь между различными изображениями ПЭМ, чтобы оценить изменение площади в разных точках в процессе литиации и делитирования. Получены ПЭМ-изображения литиации на частицах кремния, покрытых диоксидом титана.
Пятинанометровое покрытие показывает, что значительное расширение произошло во всей области, и покрытие не было разрушено во время огромного расширения. В случае 10-нанометрового покрытия относительно небольшое расширение происходило даже в течение более длительного времени литирования, и покрытие разрушалось через две минуты. Во время литиации корпус с пятинанометровым покрытием показал примерно в два раза площадное расширение, в то время как корпус с 10-нанометровым покрытием показал только 1,2-кратное площадное расширение, демонстрируя, что скорость расширения была в шесть раз выше в случае пятинанометрового покрытия.
Для успешного эксперимента требуется соответствующая толщина слоя оксида лития, поэтому контроль количества воздействия на воздух является критическим шагом. После этой процедуры изготовления микробатарей внутри можно также визуализировать распространение ионов гелия и натрия через границы раздела электродов и электролитов. Этот метод анализа пригодности конкретных покрытий, основанный на простом ПЭМ in situ, безусловно, ускорит выбор идеальных анодных, катодных и электролитных покрытий и, таким образом, коммерциализацию полностью твердотельных батарей.
