Name: screening of coatings for an all-solid-state battery using in situ transmission electron microscopy
Uploaded: 2023-01-20T12:50:00
Duration: 7 min 20 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy at JoVE.com

يتم إجراء هذا العمل في إطار "التنظير الكهربائي" (المنحة رقم 892916) من عمل ماري سكلودوفسكا كوري. يقر J.P. ، O.C. ، H.T. ، و H.K. ، بمشروع iNEW FKZ 03F0589A من BMBF. تقر CG بالتمويل المقدم من الجمعية الملكية ، لندن ل URF (رقم المنحة UF160573).

1. تحضير جسيمات Si النانوية المغلفة ب TiO2 (TiO2@Si NPs) على شبكات TEM نصف مقطوعة
<ol><li>قم بإعداد شبكة TEM نصف مقطوعة.<ol><li>ضع شبكات TEM مقاس 3 مم مع فيلم لاسي (انظر جدول المواد) على شريحة زجاجية نظيفة.</li>
		<li>قطع شبكة TEM إلى شبكات نصف مقطوعة بشفرة حلاقة.</li>
	</ol></li>
	<li>قم بإسقاط TiO2@Si NPs على شبكة TEM نصف المقطوعة. ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم استخدام 100 نانومتر Si NPs المطلية ب 5 نانومتر / 10 نانومتر TiO2بواسطة ترسيب الطبقة الذرية15 . يمكن للباحثين إعداد Si NPs المغلفة بطرق مختلفة.<ol><li>قم بتفريق TiO2@Si NPs إلى 10 مل من الأسيتون وقطرة على إحدى شبكات TEM نصف المقطوعة باستخدام ماصة. ملاحظة: حوالي 10 قطرات 5 ميكرولتر ستؤدي إلى TiO2@Si NPs كافية على حافة شبكة TEM نصف المقطوعة.</li>
		<li>تحقق من وضع TiO2@Si NPs على الحافة عبر TEM. ملاحظة: هذا ليس ضروريا ، لكن يوصى به.</li>
	</ol></li>
	<li>قم بتوصيل سلك التنغستن (W) على شبكة TEM نصف مقطوعة.<ol><li>قطع سلك W باستخدام القراص (انظر جدول المواد) إلى قطع صغيرة ، بطول 0.5-1 سم.</li>
		<li>امزج مكونين من الغراء الموصل على زجاج الشريحة النظيف. الغراء سلك W على الشبكة نصف قطع مع الغراء موصل.</li>
		<li>علاج الغراء موصل عن طريق تجفيفه في درجة حرارة الغرفة في مكان آمن لمدة 4 ساعات. ملاحظة: للمعالجة المتسارعة ، سخني العينة على طبق ساخن عند حوالي 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.</li>
	</ol></li>
</ol>2. تحضير إبرة W
<ol><li>قطع سلك W باستخدام القراص إلى قطع صغيرة ، بطول ~ 2 سم. قم بتركيب السلك W على آلة التلميع الكهربائي (انظر جدول المواد).</li>
	<li>امزج 50٪ من 1.3 مول / لتر هيدروكسيد الصوديوم و 50٪ من الإيثانول في كأس زجاجية سعة 10 مل. اضبط النطاق المتحرك المناسب لقطب العداد لحمل المنحل بالكهرباء من الكأس الزجاجية. ملاحظة: يمكن ضبط منطقة التلميع الكهربائي عن طريق تحريك الحلقة لأعلى ولأسفل بشكل متكرر. تقتصر منطقة التلميع على 2-4 مم عن طريق تحديد نطاق الحركة الرأسية للحلقة. يضبط عدد الحركات الرأسية للملف على خمس مرات في كل رحلة لغمس الملف في الكأس الزجاجية المنحل بالكهرباء.</li>
	<li>قم بتطبيق الجهد حتى يتم قطع سلك W إلى قطعتين - إبرتان حادتان W. ملاحظة: كانت حالة التلميع المستخدمة في هذه الدراسة هي الجهد (4.0 فولت) ، والحركة التكرارية الرأسية للحلقة (2-4 مم) مع خمسة تكرارات لكل إلكتروليت.</li>
	<li>قم بتحميل إبرة W المعدة على رأس المسبار.</li>
</ol>3. تحميل شبكة TEM المصبوبة بالإسقاط وإبرة W في حامل TEM في الموقع
<ol><li>أدخل شبكة TEM نصف المقطوعة المصبوبة ، ورأس المسبار المحمل بالإبرة W ، وحامل TEM في الموقع ، وحقيبة القفازات الصغيرة (المفتوحة) في صندوق القفازات الخالي من الهواء (انظر جدول المواد).</li>
	<li>خدش معدن Li برأس مسبار إبرة W (Li / LixO@W إبرة). ملاحظة: يتأكسد Li بسهولة (Li / LixO) بكمية صغيرة من الماء.</li>
	<li>قم بتركيب رأس مسبار إبرة Li / LixO@W على حامل TEM في الموقع . قم بتحميل شبكة TEM نصف المقطوعة المصبوبة إلى حامل TEM في الموقع (الشكل 1).</li>
	<li>ضع حامل TEM المجمع في الموقع في حقيبة قفازات صغيرة. أغلق حقيبة القفازات الصغيرة وأخرجها من صندوق القفازات. ملاحظة: أخرج حامل TEM المجمع في الموقع قبل التجربة في الموقع مباشرة بحيث يكون ملامسة الهواء منخفضة قدر الإمكان.</li>
</ol>4. إدخال الحامل المجمع في الموقع في TEM
ملاحظة: يمكن أكسدة إبرة Li / LixO@W عن طريق الهواء أو الماء في حقيبة القفازات ، لذا كن حذرا.
<ol><li>أغلق حول مقياس الزوايا TEM الفارغ (انظر جدول المواد) بحقيبة قفازات كبيرة. ضع حقيبة القفازات الصغيرة المغلقة التي تحتوي على حامل TEM المجمع في الموقع في حقيبة القفازات الكبيرة.</li>
	<li>قم بضخ وتطهير كيس القفازات الكبير بغاز خامل (Ar أو N2) أكثر من ثلاث مرات. ملاحظة: يمكن أن تستغرق عملية الضخ والتطهير الفردية حوالي بضع دقائق.</li>
	<li>افتح الكيس الصغير وأدخل حامل TEM المجمع في الموقع . قم بتوصيل الكابلات بحامل TEM في الموقع . ملاحظة: أحد الكابلات مخصص لحركة الإبرة من جهاز التحكم ، والآخر لتطبيق الجهد أو التيار من مصدر الطاقة (انظر جدول المواد).</li>
</ol>5. إجراء تجربة التحيز في الموقع في TEM
<ol><li>قم بمحاذاة حزمة الإلكترونات. ملاحظة: يمكن تعلم جميع تقنيات ومبادئ TEM من المرجع16.</li>
	<li>حرك إبرة Li / LixO@W نحو TiO 2@Si NPs (الشكل 2). اضبط أقل تكبير.<ol><li>ابحث عن شبكة TEM نصف المقطوعة. حدد موقع الشبكة إلى ارتفاع مركزي بواسطة مقياس الزوايا TEM. ابحث عن إبرة Li / LixO@W.</li>
		<li>تشغيل مرحلة TEM متذبذبة. حدد موقع الإبرة إلى ارتفاع مركزي عن طريق الحركة الخشنة (الانزلاق بالقصور الذاتي مع النبض المتكرر). ملاحظة: يشير تقليل حركة الإبرة إلى ارتفاع مركزية الرأس.</li>
		<li>حرك الإبرة بالقرب من الشبكة بحركة خشنة. زيادة التكبير.</li>
		<li>حرك الإبرة للأمام إلى الشبكة لإجراء اتصال جسدي بين الإبرة و TiO2@Si NPs عن طريق الحركة الدقيقة (أنبوب كهرضغطية). ملاحظة: يشير تغيير التباين في TiO2@Si NPs إلى الاتصال الجسدي.</li>
	</ol></li>
	<li>اضبط التكبير المناسب وشدة الشعاع. ملاحظة: كان معدل جرعة الإلكترون المستخدم في هذه الدراسة 10 e- / Å2 / s ، وهي حالة مماثلة لعينة بيولوجية.</li>
	<li>تطبيق الجهد والتقاط الصورة أو الفيديو. ملاحظة: كان الجهد المستخدم في هذه الدراسة 2 فولت.</li>
</ol>6. تحليل صور TEM
<ol><li>قم بتحميل صورة TEM. ارسم مضلعا لاستهداف الجسيم.</li>
	<li>قياس مساحة المضلع المرسوم. قارن المساحة المقاسة بين صور TEM المختلفة. ملاحظة: لغرض القياس الكمي ، يلزم ضبط المقياس (الوحدة: بكسل لكل طول) قبل القياس. تم استخدام ImageJ (انظر جدول المواد) لمعالجة الصور في هذه الدراسة.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Armand, M., Tarascon, J. -. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Building+better+batteries.">Building better batteries.</a> Nature. 451 (7179), 652-657 (2008).</li><li>Goodenough, J. B., Park, K. -. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Li-ion+rechargeable+battery:+a+perspective.">The Li-ion rechargeable battery: a perspective.</a> Journal of the American Chemical Society. 135 (4), 1167-1176 (2013).</li><li>Liu, K., Liu, Y., Lin, D., Pei, A., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+for+lithium-ion+battery+safety.">Materials for lithium-ion battery safety.</a> Science Advances. 4 (6), (2018).</li><li>Grey, C. P., Hall, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prospects+for+lithium-ion+batteries+and+beyond-a+2030+vision.">Prospects for lithium-ion batteries and beyond-a 2030 vision.</a> Nature Communications. 11 (1), 6279 (2020).</li><li>Basak, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operando+transmission+electron+microscopy+study+of+all-solid-state+battery+interface:+redistribution+of+lithium+among+interconnected+particles.">Operando transmission electron microscopy study of all-solid-state battery interface: redistribution of lithium among interconnected particles.</a> ACS Applied Energy Materials. 3 (6), 5101-5106 (2020).</li><li>Wang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+visualization+of+the+space-charge-layer+effect+on+interfacial+lithium-ion+transport+in+all-solid-state+batteries.">In-situ visualization of the space-charge-layer effect on interfacial lithium-ion transport in all-solid-state batteries.</a> Nature Communications. 11 (1), 5889 (2020).</li><li>Lee, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nitrogen-doped+carbon+coating+for+a+high-performance+SiO+anode+in+lithium-ion+batteries.">Nitrogen-doped carbon coating for a high-performance SiO anode in lithium-ion batteries.</a> Electrochemistry Communications. 34, 98-101 (2013).</li><li>Wu, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+facile,+dry-processed+lithium+borate-based+cathode+coating+for+improved+all-solid-state+battery+performance.">A facile, dry-processed lithium borate-based cathode coating for improved all-solid-state battery performance.</a> Journal of The Electrochemical Society. 167 (13), 130516 (2020).</li><li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+the+sensitive+lithium+with+atomic+precision:+cryogenic+electron+microscopy+for+batteries.">Visualizing the sensitive lithium with atomic precision: cryogenic electron microscopy for batteries.</a> Accounts of Chemical Research. 54 (9), 2088-2099 (2021).</li><li>Sheng, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacial+and+ionic+modulation+of+poly+(ethylene+oxide)+electrolyte+via+localized+iodization+to+enable+dendrite-free+lithium+metal+batteries.">Interfacial and ionic modulation of poly (ethylene oxide) electrolyte via localized iodization to enable dendrite-free lithium metal batteries.</a> Advanced Functional Materials. 32 (14), 2111026 (2022).</li><li>Gong, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+atomic-scale+observation+of+electrochemical+delithiation+induced+structure+evolution+of+LiCoO2cathode+in+a+working+all-solid-state+battery.">In situ atomic-scale observation of electrochemical delithiation induced structure evolution of LiCoO2cathode in a working all-solid-state battery.</a> Journal of the American Chemical Society. 139 (12), 4274-4277 (2017).</li><li>Huang, J. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+observation+of+the+electrochemical+lithiation+of+a+single+SnO2+nanowire+electrode.">In situ observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode.</a> Science. 330 (6010), 1515-1520 (2010).</li><li>Liu, X. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+swelling+and+fracture+of+silicon+nanowires+during+lithiation.">Anisotropic swelling and fracture of silicon nanowires during lithiation.</a> Nano Letters. 11 (8), 3312-3318 (2011).</li><li>Liu, X. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size-dependent+fracture+of+silicon+nanoparticles+during+lithiation.">Size-dependent fracture of silicon nanoparticles during lithiation.</a> ACS Nano. 6 (2), 1522-1531 (2012).</li><li>Basak, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operando+transmission+electron+microscopy+of+battery+cycling:+thickness+dependent+breaking+of+TiO+2+coating+on+Si/SiO+2+nanoparticles.">Operando transmission electron microscopy of battery cycling: thickness dependent breaking of TiO 2 coating on Si/SiO 2 nanoparticles.</a> Chemical Communications. 58 (19), 3130-3133 (2022).</li><li>Williams, D. B., Carter, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Transmission Electron Microscopy. , (2009).</li><li>Horwath, J. P., Zakharov, D. N., M&#233;gret, R., Stach, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+important+features+of+deep+learning+models+for+segmentation+of+high-resolution+transmission+electron+microscopy+images.">Understanding important features of deep learning models for segmentation of high-resolution transmission electron microscopy images.</a> npj Computational Materials. 6 (1), 108 (2020).</li></ol>

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

يتيح تثبيط Si NPs المطلي عبر TEM في الموقع فحصا بسيطا للطلاءات المحتملة ل ASSBs. واحدة من الخطوات المهمة في تحديد نجاح هذه التجارب هي السماكة المناسبة ل LiOx ، والتي تعمل كإلكتروليت صلب في هذه التجارب. نظرا لأن الموصلية الأيونية ل LiO x أقل بكثير من تلك الخاصة بالإلكتروليت الصلب النموذجي المستخدم في ASSBs ، فإن طبقة LiOx الأكثر سمكا ستزيد من المقاومة الداخلية وتعيق التوصيل الأيوني. من ناحية أخرى ، قد تعمل أي منطقة غير مؤكسدة من الليثيوم كوسيلة اختيارية لماس كهربائى البطارية. يمكن ضمان السماكة المناسبة ل LiOx عن طريق نقل الحامل المجمع بعناية من صندوق القفازات إلى TEM باستخدام ما يسمى بحقيبة القفازات (الموضحة في الخطوتين 3 و 4).
يمكن التحقيق في سلوك الطلاء أثناء عملية التشحيم بطريقة أكثر عمقا ، حتى عند هذا التكبير المنخفض إذا تم استخراج بيانات الطلاء (الإشارة) بشكل منفصل عن صور TEM بدون بيانات Si-core (الضوضاء). قبل التثبيط ، يتم تمييز الطلاء و Si NPs بسهولة عن طريق التباين. ومع ذلك ، أثناء عملية التثبيط ، انخفض فرق التباين ، لذلك كان من الصعب التحقيق في ظاهرة الطلاء بشكل مستقل. يمكن أن يعزز تصوير العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات التباين ، ويمكن استخدام كثافة صور العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات لقياس الحجم. علاوة على ذلك ، يمكن للتعلم الآلي أو تقنية التعلم العميق تعزيز التعرف على الميزات واستخراج المزيد من المعلومات لفهم الآليات أثناء التجارب في الموقع 17. 
يقتصر الإجراء الحالي ل (إزالة) الإيثيث ل Si NPs المطلية عبر TEM في الموقع على الفحص السريع للعثور على مواد الطلاء المحتملة. يجب اختبار مرشحي الطلاء المختارين في ASSBs الفعلية. يمكن أن توفر دراسات التحيز في الموقع للبطاريات الدقيقة ، التي تم إعدادها بواسطة حزمة أيونية مركزة على نظام كهروميكانيكي دقيق (MEMS) ، مزيدا من المعلومات حول آلية النقل الأيوني البيني 6,11.
يمكن تكييف تقنية فحص الطلاء هذه مع ASSBs القائمة على Na-ion عن طريق استبدال الليثيوم بالصوديوم.

اليوم ، بطاريات Li-ion في كل مكان حولنا ، من الأجهزة الإلكترونية المختلفة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية ، والتي ترتفع أعدادها بشكل حاد للابتعاد عن الاقتصاد القائم على الوقود الأحفوري 1,2. مع هذه الزيادة المستمرة ، تعد ميزات الأمان لبطاريات Li-ion مطلبا ذا أولويةعالية 3. الإلكتروليتات السائلة التي تستخدم عادة في بطاريات Li-ion التقليدية قابلة للاشتعال ، خاصة عند الفولتية ودرجات الحرارة العالية للتشغيل. في المقابل ، فإن استخدام الشوارد الصلبة غير القابلة للاشتعال في جميع بطاريات الحالة الصلبة (ASSBs) يقلل من خطر القابلية للاشتعال4. هذا ، بالإضافة إلى كثافة الطاقة العالية المحتملة ، جلب ASSBs إلى دائرة الضوء البحثية على مدى السنوات القليلة الماضية. ومع ذلك ، فإن واجهة القطب الكهربائي الصلبة الصلبة في ASSBs تجلب تحدياتها الخاصة التي تختلف تماما عن واجهة القطب الكهربائي السائلالصلب التقليدية 5. العديد من الإلكتروليتات المستخدمة في ASSBs ليست مستقرة كيميائيا و / أو كهروكيميائيا ضد الليثيوم والكاثودات. وبالتالي ، تتسبب تفاعلات التحلل في واجهات القطب والكهارل في تكوين طبقات تخميل ، مما يؤدي إلى تقييد النقل الأيوني وزيادة المقاومة الداخلية مما يؤدي إلى تدهور السعة خلال دورات البطارية6. واحدة من أكثر الطرق شيوعا لمنع مثل هذا التفاعل هي تطبيق طلاء على الأقطاب الكهربائية و / أو الشوارد ، مما يضمن عدم وجود اتصال مباشر بين القطب والكهارل وينتج عنه واجهة مستقرة. لهذا الغرض ، يتم حاليا التحقيق في الطلاءات الموصلة الإلكترونية والأيونيةالمختلفة 7,8.
المتطلبات الرئيسية للطلاء المثالي هي: يجب أن تسمح بالتوصيل الأيوني ؛ يجب ألا تزيد من المقاومة الداخلية للبطارية ؛ ويجب أن تكون مستقرة كيميائيا وميكانيكيا خلال العديد من دورات البطارية. تعتبر الأسئلة الأخرى مثل سمك الطلاء ، والطبقة الواحدة أو متعددة الطبقات ، وعملية الطلاء المثالية ذات أهمية قصوى لتسويق ASSBs. وبالتالي ، هناك حاجة إلى طريقة فحص لمعرفة أفضل الطلاءات.
تم استخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) للتحقيق في الواجهة الصلبة الصلبة في ASSBs حتى المقياس الذري 9,10. علاوة على ذلك ، يوفر operando TEM إمكانية بناء بطارية صغيرة داخل TEM ودراسة عمليات البطارية أثناء تدوير البطارية. لتتبع حركات Li-ion في البطارية ، يلزم التصوير بدقةعالية 11. ومع ذلك ، فإن جرعة شعاع الإلكترون العالية المتأصلة في مثل هذا التصوير عالي الدقة طوال مدة التجربة قد تغير المسارات الكهروكيميائية. بديل لذلك هو الطلاءات التي يتم تطبيقها على الجسيمات النانوية Si (NPs) وتخضع ل (de) lithiation. أثناء تجارب التشغيل TEM ، يمكن مراقبة عملية التثبيط على الرغم من أن الطلاء عند التكبير المنخفض ، وذلك بفضل التغيرات الكبيرة في حجم الجسيمات النانوية Si أثناء (de) lithiation12،13،14. وبالتالي ، يمكن مراقبة عملية تدوير البطارية بأكملها بجرعة إلكترون منخفضة نسبيا. علاوة على ذلك ، فإن الضغط الناتج عن الطلاء بسبب التغيرات الكبيرة في حجم Si سيكون مشابها للضغط الناتج عن الطلاء على مدار دورات متعددة. وبالتالي ، يمكن أيضا التحقق من الاستقرار الميكانيكي طويل الأجل للطلاء. تهدف هذه المقالة إلى مشاركة ، مع أمثلة على السماكات المختلفة لطلاء TiO2، كيف يمكن إجراء تجربة TEM العملية هذه لفحص طلاءات ASSB المحتملة. سيشرح البروتوكول تحميل Si NPs المطلية على حامل TEM في الموقع ، ومراقبة تحيز Si NPs المطلي في TEM ، وتحليل صور TEM.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3 mm TEM grids with lacey film</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ar gas</td>
			<td>Linde</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive glue</td>
			<td>Chemtronics</td>
			<td>CW2400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electro-polishing machine</td>
			<td>Simplex Scientific LLC</td>
			<td>ElectroPointer</td>
			<td>Including counter electrode (a small loop made by Platinum)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glove bag</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glove box</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image Processing program</td>
			<td>ImageJ</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>In-situ biasing TEM holder</td>
			<td>Nanofactory</td>
			<td>Nanofactory STM-TEM holder</td>
			<td>Including piezo control equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaOH</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nipper</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power supply</td>
			<td>Keithley</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TiO2 coated Si/SiO2 particles</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>In house made, TiO2 coated on commerical Si nanoparticles by atomic layer deposition method</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transmission electron microscope (TEM)</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>Titan G2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten (W) wire (diameter: 0.25 mm)</td>
			<td>any available brand</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

screening of coatings for an all-solid-state battery using in situ transmission electron microscopy

مع الاستخدام المتزايد باستمرار لبطاريات Li-ion ، خاصة بسبب اعتمادها في السيارات الكهربائية ، فإن سلامتها في التركيز الرئيسي. وبالتالي ، فإن بطاريات الحالة الصلبة (ASSBs) التي تستخدم الشوارد الصلبة بدلا من الشوارد السائلة ، والتي تقلل من خطر القابلية للاشتعال ، كانت مركز الصدارة في أبحاث البطاريات خلال السنوات القليلة الماضية. ومع ذلك ، في ASSB ، يشكل النقل الأيوني عبر واجهة القطب الكهربائي الصلبة الصلبة تحديا بسبب مشكلات الاتصال والاستقرار الكيميائي / الكهروكيميائي. يوفر تطبيق طلاء مناسب حول القطب و / أو جزيئات الإلكتروليت حلا مناسبا ، مما يؤدي إلى أداء أفضل. لهذا ، يقوم الباحثون بفحص الطلاءات الإلكترونية / الأيونية الموصلة وغير الموصلة المحتملة للعثور على أفضل الطلاءات ذات السماكة المناسبة للاستقرار الكيميائي والكهروكيميائي والميكانيكي على المدى الطويل. يجمع المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) بين الدقة المكانية العالية والدقة الزمنية العالية للسماح بتصور العمليات الديناميكية ، وبالتالي فهو أداة مثالية لتقييم طلاء القطب / الإلكتروليت من خلال دراسة (إزالة) التثليث على مستوى جسيم واحد في الوقت الفعلي. ومع ذلك ، فإن جرعة الإلكترون المتراكمة أثناء عمل نموذجي عالي الدقة في الموقع قد تؤثر على المسارات الكهروكيميائية ، والتي يمكن أن يستغرق تقييمها وقتا طويلا. يقدم البروتوكول الحالي إجراء بديلا يتم فيه تطبيق الطلاءات المحتملة على جسيمات Si النانوية وتخضع ل (de) lithiation أثناء تجارب TEM التشغيلية. تسمح التغيرات الكبيرة في حجم الجسيمات النانوية Si أثناء (de) lithiation بمراقبة سلوك الطلاء عند تكبير منخفض نسبيا. وبالتالي ، فإن العملية برمتها فعالة للغاية بجرعة الإلكترون وتوفر فحصا سريعا للطلاءات المحتملة.

يتم عرض سلسلة من صور TEM للتثليث على جسيمات Si / SiO 2المطليةب 5 نانومتر و 10 نانومتر TiO2في الشكل 3. في حالة طلاء 5 نانومتر ، حدث توسع كبير في المنطقة بأكملها ، ولم يتم كسر الطلاء أثناء التوسع الضخم. في حالة طلاء 10 نانومتر ، حدث تمدد صغير نسبيا حتى لفترة أطول من التثبيط ، وتم كسر الطلاء بعد 2 دقيقة. من كمية التمدد وكسر الطلاء ، يعد طلاء 5 نانومتر بإظهار سعة ومتانة أفضل من طلاء 10 نانومتر.
يمكن الحصول على مقدار تمدد الجسيمات عن طريق معالجة الصور كما هو موضح في الشكل 4. أظهرت علبة الطلاء 5 نانومتر حوالي 2x تمدد مساحي ، بينما أظهرت علبة الطلاء 10 نانومتر توسعا مساحيا 1.2x فقط. معدل تمدد علبة الطلاء 5 نانومتر أسرع بست مرات من معدل تمدد علبة الطلاء 10 نانومتر.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig01.jpg"> الشكل 1: تجميع حامل TEM في الموقع. (أ) حامل انحياز TEM فارغ في الموقع. (ب) تجميع شبكة TEM نصف المصبوبة بقضيب تنغستن على الجانب الأيمن من الحامل. (ج) تجميع رأس المسبار بإبرة تنغستن على الجانب الأيسر من الحامل. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig02.jpg"> الشكل 2: تحريك إبرة التنغستن نحو جسيمات Si النانوية المغلفة ب TiO2 في TEM. (أ) تحديد موقع إبرة التنغستن إلى الارتفاع المركزي وتحريك الإبرة بالقرب من شبكة TEM. (ب) يشار إلى الاتصال الفيزيائي بين المؤشر والجسيمات النانوية بتغير التباين. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig03.jpg"> الشكل 3: سلسلة صور TEM حول التثبيط . (أ) 5 نانومتر TiO2 الجسيمات النانوية المغلفة Si. (ب) 10 نانومتر TiO2 الجسيمات النانوية المغلفة Si. الشكل مقتبس من Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig03large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig04.jpg"> الشكل 4: تتبع تمدد الجسيمات النانوية أثناء عملية التثليث. أ: قياس مساحة الجسيمات النانوية (بواسطة مضلع مرسوم) من صورة TEM. (ب) التمثيل البياني لزيادة المساحة مقابل. الوقت. الشكل مقتبس من Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig04large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy at JoVE.com

Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy

باستخدام التغير في حجم الجسيمات النانوية Si أثناء (de) lithiation ، يصف البروتوكول الحالي طريقة فحص الطلاءات المحتملة لجميع بطاريات الحالة الصلبة باستخدام المجهر الإلكتروني في الموقع .

فحص الطلاءات لبطارية الحالة الصلبة بالكامل باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ في الموقع

With the ever-increasing use of Li-ion batteries, especially due to their adoption in electric vehicles, their safety is in prime focus. Thus, the ...

تعتبر طلاءات الأقطاب الكهربائية والكهارل ضرورية لضمان استقرار بطارية الحالة الصلبة بالكامل والأداء على المدى الطويل. تساعدنا طريقة الفحص الخاصة بنا ، بناء على دراسة TEM بسيطة في الموقع ، على تحديد مادة الطلاء المثالية ، وسمك الطلاء ، والطلاء أحادي الطبقة أو متعدد الطبقات ، بالإضافة إلى إجراءات الطلاء الأساسية. يتم تطبيق الطلاء على جزيئات السيليكون النانوية.يسمح لنا التغير الجذري المعروف في حجم السيليكون أثناء التثبيط والإزالة بتتبع التثبيط والإزالة من خلال الطلاء عند تكبير منخفض نسبيا وبالتالي بمعدل جرعة إلكترون منخفض ، مما يضمن عدم تلف شعاع الإلكترون. اليوم ، سيقوم الدكتور جونبيوم بارك ، باحث ما بعد الدكتوراه من مجموعتي ، بتوضيح الإجراء. كما سيساعد الدكتور جانغيون جو، باحث ما بعد الدكتوراه من معهد ER-C، في توضيح الإجراء.للبدء ، قم بإعداد شبكة TEM نصف مقطوعة عن طريق وضع شبكات TEM ثلاثية المليمترات مع رغوة مزركشة على شريحة زجاجية نظيفة. بعد ذلك ، قم بقص شبكة TEM إلى شبكات نصف مقطوعة بشفرة حلاقة. بعد ذلك ، قم بتفريق جسيمات السيليكون النانوية المطلية بثاني أكسيد التيتانيوم إلى الأسيتون وإسقاط المصبوب على إحدى شبكات TEM نصف المقطوعة باستخدام ماصة.قطع سلك التنغستن باستخدام القراص إلى قطع صغيرة بطول 0.5 إلى 1 سم. بعد خلط مكونين من الغراء الموصل على زجاج الشريحة النظيف ، قم بلصق سلك التنغستن على الشبكة نصف المقطوعة بالغراء الموصل. ثم ، علاج الغراء موصل عن طريق تجفيفه في درجة حرارة الغرفة في مكان آمن لمدة أربع ساعات.قطع سلك التنغستن باستخدام القراص إلى قطع صغيرة بطول حوالي سنتيمترين وتركيب سلك التنغستن على آلة التلميع الكهربائي. امزج 50٪ من 1.3 مول لكل لتر من هيدروكسيد الصوديوم و 50٪ إيثانول في كأس زجاجية سعة 10 ملليلترات. اضبط النطاق المتحرك المناسب لقطب العداد لحمل المنحل بالكهرباء من الكأس الزجاجية.ضع الجهد حتى يتم قطع سلك التنغستن إلى قطعتين ، مما ينتج عنه إبرتان حادتان من التنغستن. ثم قم بتحميل إبرة التنغستن المعدة على رأس المسبار. أدخل رأس المسبار المحمل بإبرة التنغستن في حامل TEM في الموقع مع شبكة TEM المصبوبة نصف المقطوعة وحقيبة القفازات الصغيرة في صندوق قفازات الأرجون.خدش معدن الليثيوم برأس مسبار إبرة التنغستن المحضر وقم بتركيب إبرة التنغستن المحملة بالليثيوم على حامل TEM في الموقع. ضع حامل TEM المجمع في الموقع في حقيبة قفازات صغيرة. بعد إغلاق حقيبة القفازات الصغيرة ، أخرجها من صندوق القفازات.أغلق حول مقياس الزوايا TEM الفارغ بحقيبة قفازات كبيرة وضع كيس القفازات الصغير المغلق الذي يحتوي على حامل TEM المجمع في الموقع في حقيبة القفازات الكبيرة. ضخ وتطهير كيس القفازات الكبير بغاز خامل أكثر من ثلاث مرات. ثم افتح الكيس الصغير وأدخل حامل TEM المجمع في الموقع.لاحظ أن التعرض الطفيف للهواء يشكل طبقة أكسيد الليثيوم على الليثيوم. تعمل طبقة أكسيد الليثيوم هذه كإلكتروليت صلب. بعد ذلك ، قم بتوصيل الكابلات بين حامل TEM في الموقع ووحدة التحكم الخاصة به ومصدر تيار الجهد.ابحث عن شبكة TEM نصف المقطوعة. بعد ذلك ، انقل مقياس الزوايا لوضع الشبكة في الموضع المركزي ل TEM. بعد ذلك ، ابحث عن إبرة التنغستن مع الليثيوم المطلي بأكسيد الليثيوم.تشغيل مرحلة TEM متذبذبة. بعد تحديد موقع الإبرة إلى ارتفاع مركزي عن طريق الحركة الخشنة للحامل في الموقع ، حرك الإبرة بالقرب من الشبكة عن طريق حركة XY الخشنة للحامل ، ومع اقتراب الإبرة من الشبكة ، يزداد التكبير. حرك الإبرة للأمام إلى الشبكة لإجراء اتصال مادي بين الليثيوم المطلي بأكسيد الليثيوم وجسيمات السيليكون النانوية المطلية بثاني أكسيد التيتانيوم من خلال الحركة الدقيقة لرأس مسبار بيزو للحامل في الموقع.ضبط التكبير المناسب ومعدل جرعة شعاع الإلكترون. بعد ذلك ، قم بتطبيق جهد بين جسيمات السيليكون النانوية والليثيوم باستخدام مصدر الجهد الحالي والتقط سلسلة الصور لتسجيل عمليات التثبيط والإزالة من خلال طبقة الطلاء. أولا ، قم بتحميل صورة TEM.ثم حدد أداة تحديد المضلع وارسم مضلعا للجسيم المستهدف. بعد ذلك ، قم بقياس مساحة المضلع المرسوم وقارن المساحة المقاسة بين صور TEM المختلفة لتقدير التغير في المنطقة عند نقاط مختلفة أثناء عملية التثبيط والدلالة. تم الحصول على صور TEM للإيثيشن على جزيئات السيليكون المطلية بثاني أكسيد التيتانيوم.يظهر الطلاء الذي يبلغ طوله خمسة نانومتر حدوث توسع كبير في المنطقة بأكملها ولم يتم كسر الطلاء أثناء التوسع الضخم. في حالة الطلاء 10 نانومتر ، حدث تمدد صغير نسبيا حتى لفترة أطول من التثبيط وتم كسر الطلاء بعد دقيقتين. أثناء عملية التثبيط ، أظهرت علبة الطلاء ذات الخمسة نانومتر حوالي ضعف التمدد المساحي ، بينما أظهرت علبة الطلاء 10 نانومتر تمددا مساحيا بمقدار 1.2 مرة فقط ، مما يدل على أن معدل التمدد كان أسرع بست مرات في حالة علبة الطلاء ذات الخمسة نانومترات.مطلوب سمك مناسب لطبقة أكسيد الليثيوم لتجربة ناجحة ، وبالتالي ، فإن التحكم في كمية التعرض للهواء هو خطوة حاسمة. باتباع هذا الإجراء من تصنيع البطاريات الدقيقة داخل انتشار أيون الهيليوم والصوديوم من خلال واجهات القطب والكهارل يمكن أيضا تصورها. هذه الطريقة لتحليل مدى ملاءمة طلاءات معينة بناء على TEM بسيط في الموقع ستسرع بالتأكيد اختيار طلاء الأنود والكاثود والكهارل المثالي وبالتالي تسويق بطاريات الحالة الصلبة بالكامل.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy

Preparation of Highly Porous Coordination Polymer Coatings on Macroporous Polymer Monoliths for Enhanced Enrichment of Phosphopeptides

إعداد التنسيق المسامية العالية البوليمر طلاء البوليمر على ماكروبوروس كتل لتعزيز إثراء Phosphopeptides

We describe a protocol for the preparation of hybrid materials based on highly porous coordination polymer coatings on the internal surface of macroporous ...

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

في الموقع رصد إنتشار ضيف الجزيئات في الأوساط المسامية باستخدام الكترون ممغطس التصوير بالرنين

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

In Situ Characterization of Boehmite Particles in Water Using Liquid SEM

في الموقع توصيف الجسيمات بويهميتي في المياه باستخدام SEM السائل

In situ imaging and elemental analysis of boehmite (AlOOH) particles in water is realized using the System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface ...

Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles

خلايا السائل مجهر إلكتروني لتعقب التجميع الذاتي من جسيمات نانوية

Drying a nanoparticle dispersion is a versatile way to create self-assembled structures of nanoparticles, but the mechanism of this process is not fully ...

Obtaining 3D Chemical Maps by Energy Filtered Transmission Electron Microscopy Tomography

الحصول على خرائط الكيميائية 3D بالطاقة التي تمت تصفيتها انتقال الميكروسكوب الإلكتروني التصوير المقطعي

Energy filtered transmission electron microscopy tomography (EFTEM tomography) can provide three-dimensional (3D) chemical maps of materials at a ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

رقائق موائع جزيئية لنثر الخفيفة الديناميكية في الموقع حيود الأشعة السينية كريستال و في الموقع لعلم البلورات المسلسل

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

تحليل المعادن التي تنتجها هفوب 1.19 وسوس-2 الخلايا باستخدام مجهر إلكتروني مع Microanalysis الأشعة السينية المشتتة الطاقة

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

استخدام الجرافين سائل الخلية مجهر إلكتروني لدراسة في الموقع النقش نانوكريستال

Graphene liquid cell electron microscopy provides the ability to observe nanoscale chemical transformations and dynamics as the reactions are occurring in ...

Performing Spectroscopy on Plasmonic Nanoparticles with Transmission-Based Nomarski-Type Differential Interference Contrast Microscopy

أداء الطيفي علي جسيمات نانويه Plasmonic مع القائم علي انتقال Nomarski نوع التداخل التفاضلي التباين المجهر

Differential interference contrast (DIC) microscopy is a powerful imaging tool that is most commonly employed for imaging microscale objects using ...

Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy

إعداد الخلايا السائلة ميكروويل المدعومة بالجرافين للتصوير المجهري الإلكتروني للإرسال في الموقع

The fabrication and preparation of graphene-supported microwell liquid cells (GSMLCs) for in situ electron microscopy is presented in a stepwise protocol. ...