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

עבודה זו מתבצעת במסגרת "אלקטרוסקופיה" (מענק מס '892916) מפעולת מארי סקלודובסקה-קירי. J.P., O.C., H.T. ו- H.K., מכירים בפרויקט iNEW FKZ 03F0589A מבית BMBF. CG מכירה במימון מהחברה המלכותית, לונדון עבור URF (מענק מס' UF160573).

1. הכנת ננו-חלקיקי Si מצופים TiO 2 (TiO2@Si NPs) על רשתות TEM חתוכות למחצה
<ol><li>הכינו רשת TEM חתוכה למחצה.<ol><li>הניחו את רשתות TEM בקוטר 3 מ"מ עם סרט תחרה (ראו טבלת חומרים) על שקופית זכוכית נקייה.</li>
		<li>חתך את רשת TEM לרשתות חתוכות למחצה באמצעות סכין גילוח.</li>
	</ol></li>
	<li>שחרר את TiO2@Si NPs ברשת TEM החתוכה למחצה. הערה: במחקר זה נעשה שימוש ב-Si NPs בגודל 100 ננומטר המצופים ב-TiO2בגודל 5 ננומטר/10 ננומטר על ידי שקיעת שכבה אטומית15 . חוקרים יכולים להכין Si NPs מצופים בדרכים שונות.<ol><li>פזרו את TiO2@Si NPs לתוך 10 מ"ל של אצטון והורידו על אחת מרשתות TEM החתוכות למחצה עם פיפטה. הערה: בסביבות 10 טיפות של 5 μL יגרמו למספיק NPs TiO2@Si בקצה רשת TEM החתוכה למחצה.</li>
		<li>בדוק שה- NPs TiO2@Si ממוקמים בקצה באמצעות TEM. הערה: פעולה זו אינה הכרחית, אך מומלצת.</li>
	</ol></li>
	<li>חבר חוט טונגסטן (W) ברשת TEM חתוכה למחצה.<ol><li>חותכים את חוט ה-W באמצעות פטמה (ראו טבלת חומרים) לחתיכות קטנות, באורך של 0.5-1 ס"מ.</li>
		<li>מערבבים שני רכיבים של דבק מוליך על זכוכית השקופיות הנקייה. הדביקו את חוט W על הרשת החתוכה למחצה בדבק מוליך.</li>
		<li>לרפא את הדבק המוליך על ידי ייבוש בטמפרטורת החדר במקום בטוח במשך 4 שעות. הערה: לריפוי מואץ, חממו את הדגימה על צלחת חמה בסביבות 100°C למשך 10 דקות.</li>
	</ol></li>
</ol>2. הכנת מחט W
<ol><li>חותכים את חוט W באמצעות פטמה לחתיכות קטנות, באורך של ~ 2 ס"מ. הרכיבו את חוט ה-W על מכונת האלקטרו-פוליש (ראו טבלת חומרים).</li>
	<li>יש לערבב 50% של 1.3 mol/L NaOH ו-50% אתנול בכד של 10 מ"ל. הגדר את הטווח הניתן להזזה הנכון של אלקטרודה נגדית כדי לשאת את האלקטרוליט מהכד. הערה: ניתן לכוונן את אזור האלקטרופוליש על-ידי הזזת הלולאה למעלה ולמטה באופן איטרטיבי. אזור הליטוש מוגבל ל-2-4 מ"מ על ידי קביעת טווח התנועה האנכית של הלולאה. מספר התנועות האנכיות של הלולאה מוגדר לחמש פעמים בכל נסיעה כדי לטבול את הלולאה בכד האלקטרוליטים.</li>
	<li>החל את המתח עד חוט W נחתך לשני חלקים - שתי מחטי W חדות. הערה: תנאי הליטוש ששימש במחקר זה היה מתח (4.0 V), והתנועה האיטרטיבית האנכית של הלולאה (2-4 מ"מ) עם חמש חזרות לכל אלקטרוליט.</li>
	<li>טען את מחט W מוכן על ראש הבדיקה.</li>
</ol>3. טעינת רשת TEM יצוקה ומחט W לתוך מחזיק TEM באתרו
<ol><li>הכנס את רשת TEM היצוקה למחצה, ראש בדיקה טעון במחט W, מחזיק TEM באתרו ותיק הכפפות הקטן (פתוח) לתוך תא הכפפות ללא אוויר (ראה טבלת חומרים).</li>
	<li>גרד את מתכת Li עם מחט W מוכנה (Li/LixO@W מחט) ראש בדיקה. הערה: Li מתחמצן בקלות (Li/LixO) על ידי כמות זעירה של מים.</li>
	<li>הרכיבו את ראש בדיקת המחט Li/LixO@W למחזיק TEM באתרו . טען את רשת ה-TEM החתוכה למחצה למחזיק ה-TEM באתרו (איור 1).</li>
	<li>הכניסו את מחזיק ה-TEM באתרו לתיק כפפות קטן. סגרו את תיק הכפפות הקטן והוציאו אותו מתא הכפפות. הערה: הוציאו את מחזיק ה-TEM באתרו ממש לפני הניסוי באתרו , כך שמגע האוויר יהיה נמוך ככל האפשר.</li>
</ol>4. הכנסת המחזיק המורכב באתרו לתוך TEM
הערה: מחט Li/LixO@W יכולה להיות מחומצנת על ידי אוויר או מים בתיק הכפפות, אז היזהר.
<ol><li>אטמו מסביב לגוניומטר TEM הריק (ראו טבלת חומרים) עם תיק כפפות גדול. הכניסו את תיק הכפפות הקטן והסגור המכיל את מחזיק ה-TEM המורכב באתרו לתוך תיק הכפפות הגדול .</li>
	<li>שאבו וטיהרו את תיק הכפפות הגדול בגז אינרטי (Ar או N2) יותר משלוש פעמים. הערה: תהליך השאיבה והטיהור היחיד עשוי להימשך כמספר דקות.</li>
	<li>פתח את השקית הקטנה והכנס את מחזיק ה- TEM המורכב באתרו . חבר את הכבלים למחזיק TEM באתרו . הערה: כבל אחד מיועד לתנועת המחט מציוד הבקרה, והשני מיועד להפעלת המתח או הזרם מספק הכוח (ראה טבלת חומרים).</li>
</ol>5. ביצוע ניסוי הטיה באתרו ב- TEM
<ol><li>יישרו את קרן האלקטרונים. הערה: ניתן ללמוד את כל הטכניקות והעקרונות של TEM מהפניה16.</li>
	<li>הזיזו את מחט Li/LixO@W לכיוון TiO 2@Si NPs (איור 2). הגדר את ההגדלה הנמוכה ביותר.<ol><li>מצא את רשת TEM החתוכה למחצה. אתר את הרשת לגובה אאוצנטרי על ידי הגוניומטר TEM. מצא את המחט Li/LixO@W.</li>
		<li>הפעל את שלב TEM מתנודד. אתר את המחט לגובה אאוצנטרי על ידי תנועה גסה (החלקה אינרציאלית עם הדופק החוזר). הערה: מזעור תנועת המחט מציין את הגובה האוצנטרי.</li>
		<li>הזיזו את המחט קרוב לרשת בתנועה גסה. הגדל את ההגדלה.</li>
		<li>הזז את המחט קדימה לרשת כדי ליצור מגע פיזי בין המחט לבין TiO2@Si NPs על ידי תנועה עדינה (צינור פיאזואלקטרי). הערה: שינוי ניגודיות של TiO2@Si NPs מציין מגע פיזי.</li>
	</ol></li>
	<li>הגדר הגדלה נכונה ועוצמת קרן. הערה: שיעור מינון האלקטרונים ששימש במחקר זה היה 10 e-/Å2/s, תנאי דומה לדגימה ביולוגית.</li>
	<li>החל מתח וצלם את התמונה או הסרטון. הערה: המתח ששימש במחקר זה היה 2 V.</li>
</ol>6. ניתוח תמונות TEM
<ol><li>טען את תמונת TEM. צייר מצולע לחלקיק המטרה.</li>
	<li>מדוד את שטח המצולע המצויר. השווה את השטח הנמדד בין תמונות TEM שונות. הערה: לצורך הכימות, הגדרת קנה המידה (יחידה: פיקסל לכל אורך) נדרשת לפני המדידה. ImageJ (ראו טבלת חומרים) שימשה לעיבוד התמונות במחקר הנוכחי.</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>

למחברים אין מה לחשוף.

הליטציה של Si NPs מצופים באמצעות TEM באתרו מאפשרת בחינה פשוטה של הציפויים הפוטנציאליים עבור ASSB. אחד השלבים החשובים בקביעת הצלחת ניסויים אלה הוא העובי המתאים של LiOx, הפועל כאלקטרוליט מוצק בניסויים אלה. מכיוון שהמוליכות היונית של LiO x נמוכה משמעותית מזו של אלקטרוליט מוצק טיפוסי המשמש ב- ASSB, שכבת LiOx עבה יותר תגביר את ההתנגדות הפנימית ותפגע בהולכת יונים. מצד שני, כל אזור לא מחומצן של ליתיום עשוי לשמש כאמצעי אופציונלי לקצר חשמלי. ניתן להבטיח את העובי המתאים של LiOx על ידי הובלה זהירה של המחזיק המורכב מתא הכפפות ל- TEM באמצעות מה שמכונה תיק הכפפות (המתואר בשלבים 3 ו -4).
התנהגות הציפוי במהלך הליטציה יכולה להיחקר באופן מעמיק יותר, אפילו בהגדלה נמוכה זו אם נתוני הציפוי (אות) מופקים בנפרד מתמונות TEM ללא הנתונים של Si-core (רעש). לפני lithiation, ציפוי ו Si NPs נבדלים בקלות על ידי הניגוד. עם זאת, במהלך הליתיציה, הפרש הניגודיות הצטמצם, ולכן היה קשה לחקור את תופעת הציפוי באופן עצמאי. הדמיית STEM יכולה לשפר את הניגודיות, וניתן להשתמש בעוצמה של תמונות STEM למדידת נפח. יתר על כן, טכנולוגיית למידת מכונה או למידה עמוקה יכולה לשפר את זיהוי התכונות ולחלץ מידע נוסף כדי להבין את המנגנונים במהלך הניסויים באתרם 17. 
ההליך הנוכחי של (de)lithiation של Si NPs מצופים באמצעות TEM באתרו מוגבל לסינון מהיר כדי למצוא את חומרי הציפוי הפוטנציאליים. המועמדים לציפוי ברשימה הקצרה חייבים להיבדק ב- ASSB בפועל. מחקרי הטיה באתרם של סוללות המיקרו, שהוכנו על ידי קרן יון ממוקדת על מערכת מיקרו-אלקטרומכנית (MEMS), יכולים לספק מידע נוסף על מנגנון ההובלה היוני הבין-פנים 6,11.
ניתן להתאים את טכניקת סינון הציפוי הזו ל-ASSB מבוסס Na-ion על ידי החלפת הליתיום בנתרן.

כיום, סוללות Li-ion נמצאות סביבנו, ממכשירים אלקטרוניים שונים כגון טלפונים חכמים ומחשבים ניידים ועד כלי רכב חשמליים, שמספרם עולה בתלילות כדי להתרחק מהכלכלה מבוססת דלק מאובנים 1,2. עם זה הולך וגדל, תכונות הבטיחות של סוללות Li-ion הן דרישה בעדיפות גבוהה3. האלקטרוליטים הנוזליים המשמשים בדרך כלל בסוללות Li-ion מסורתיות הם דליקים, במיוחד במתחי הפעלה וטמפרטורות גבוהים יותר. לעומת זאת, שימוש באלקטרוליטים מוצקים בלתי דליקים בסוללות מצב מוצק (ASSB) מפחית את הסיכון לדליקות4. זה, וצפיפות אנרגיה פוטנציאלית גבוהה, הביאו ASSB לאור הזרקורים של המחקר בשנים האחרונות. עם זאת, ממשק אלקטרוליט-אלקטרודה מוצק-מוצק ב- ASSB מביא אתגרים משלו השונים למדי מהממשק המסורתי של אלקטרודה-אלקטרודה נוזלית-מוצקה5. רבים מהאלקטרוליטים המשמשים ב- ASSB אינם יציבים כימית ו / או אלקטרוכימית כנגד ליתיום וקתודה. לפיכך, תגובות פירוק בממשקי אלקטרודה-אלקטרוליטים גורמות להיווצרות שכבות פסיביות, וכתוצאה מכך הובלה יונית מוגבלת ועלייה בהתנגדות הפנימית המובילה לירידה בקיבולת במהלך מחזורי סוללה6. אחת הדרכים הנפוצות ביותר למנוע תגובה כזו היא למרוח ציפוי על האלקטרודות ו/או האלקטרוליטים, מה שמבטיח שאין מגע ישיר בין האלקטרודה-אלקטרוליט ומביא לממשק יציב. לשם כך נחקרים כיום ציפויים מוליכים אלקטרוניים ויונים שונים 7,8.
הדרישות העיקריות לציפוי אידיאלי הן: עליו לאפשר הולכת יונים; אסור להגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה; והוא חייב להיות יציב מבחינה כימית ומכנית לאורך מחזורי סוללה רבים. שאלות אחרות כמו עובי ציפוי, שכבה אחת או רב שכבתית, ותהליך ציפוי אידיאלי הן בעלות עניין ראשון במעלה למסחור של ASSB. לכן, יש צורך בשיטת סינון כדי לגלות את הציפויים הטובים ביותר.
מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM) שימש לחקר הממשק מוצק-מוצק ב- ASSB עד לקנה מידה אטומי 9,10. יתר על כן, operando TEM מציע את האפשרות לבנות מיקרו סוללה בתוך TEM וללמוד את תהליכי הסוללה במהלך מחזור הסוללה. כדי לעקוב אחר תנועות Li-ion בסוללה, יש צורך בהדמיה ברזולוציה גבוהה11. עם זאת, מינון קרן האלקטרונים הגבוה המובנה של הדמיה ברזולוציה גבוהה כזו לאורך כל תקופת הניסוי עשוי לשנות את המסלולים האלקטרוכימיים. חלופה לכך היא ציפויים המיושמים על ננו-חלקיקי Si (NPs) ונתונים ל(דה)ליתיזציה. במהלך ניסויי אופרנדו TEM, ניתן לנטר את תהליך הליטיאציה באמצעות הציפוי בהגדלה נמוכה, הודות לשינויים בנפח גבוה של ננו-חלקיקי Si במהלך (de)lithiation12,13,14. לפיכך, ניתן לעקוב אחר כל תהליך מחזור הסוללה במינון אלקטרונים נמוך יחסית. יתר על כן, הלחץ שנוצר על הציפוי עקב שינויים בנפח גבוה של Si יהיה מקביל ללחץ שנוצר על הציפוי במשך מחזורים מרובים. לפיכך, ניתן לבדוק גם יציבות מכנית ארוכת טווח של הציפויים. מאמר זה נועד לשתף, עם דוגמאות של עוביים שונים של ציפוי TiO2, כיצד ניתן לבצע ניסוי TEM אופרנדו כזה לסינון ציפויי ASSB פוטנציאליים. הפרוטוקול יסביר את טעינת ה-Si NPs המצופים על מחזיק TEM באתרו, התבוננות ב-Lithiation של Si NPs מצופים ב-TEM, וניתוח תמונות ה-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

עם השימוש ההולך וגובר בסוללות Li-ion, במיוחד בשל אימוצן בכלי רכב חשמליים, בטיחותן נמצאת במוקד העיקרי. לפיכך, סוללות מצב מוצק (ASSB) המשתמשות באלקטרוליטים מוצקים במקום אלקטרוליטים נוזליים, המפחיתים את הסיכון לדליקות, היו במרכז הבמה של מחקר הסוללות בשנים האחרונות. עם זאת, ב- ASSB, העברת היונים דרך ממשק אלקטרוליט-אלקטרודה מוצק-מוצק מציבה אתגר עקב בעיות מגע ויציבות כימית/אלקטרוכימית. יישום ציפוי מתאים סביב חלקיקי האלקטרודה ו/או האלקטרוליטים מציע פתרון נוח, המוביל לביצועים טובים יותר. לשם כך, החוקרים בודקים ציפויים אלקטרוניים/יוניים מוליכים ולא מוליכים פוטנציאליים כדי למצוא את הציפויים הטובים ביותר עם עובי מתאים ליציבות כימית, אלקטרוכימית ומכנית לטווח ארוך. מיקרוסקופ אלקטרונים של שידור אופרנדו (TEM) משלב רזולוציה מרחבית גבוהה עם רזולוציה טמפורלית גבוהה כדי לאפשר הדמיה של תהליכים דינמיים, ולכן הוא כלי אידיאלי להערכת ציפויי אלקטרודות/אלקטרוליטים באמצעות לימוד (דה)ליתיזציה ברמת חלקיק יחיד בזמן אמת. עם זאת, מינון האלקטרונים המצטבר במהלך עבודה טיפוסית ברזולוציה גבוהה באתרו עשוי להשפיע על המסלולים האלקטרוכימיים, שהערכתם יכולה לגזול זמן. הפרוטוקול הנוכחי מציג הליך חלופי שבו הציפויים הפוטנציאליים מיושמים על ננו-חלקיקי Si ועוברים (דה)ליתיזציה במהלך ניסויי אופרנדו TEM. השינויים בנפח גבוה של ננו-חלקיקי Si במהלך (דה)ליתיזציה מאפשרים ניטור של התנהגות הציפוי בהגדלה נמוכה יחסית. לכן, התהליך כולו יעיל מאוד במינון אלקטרונים ומציע סינון מהיר של ציפויים פוטנציאליים.

סדרה של תמונות TEM של Lithiation על חלקיקי Si/SiO2 מצופיםSi/SiO2של 5 ננומטר ו-10 ננומטר מוצגות באיור 3. במקרה של ציפוי 5 ננומטר, התרחשה התרחבות משמעותית בכל האזור, והציפוי לא נשבר במהלך התרחבות ענקית. במקרה של ציפוי 10 ננומטר, התרחשה התרחבות קטנה יחסית גם לזמן ארוך יותר, והציפוי נשבר לאחר 2 דקות. מכמות ההרחבה ושבירת הציפוי, ציפוי 5 ננומטר מובטח להראות קיבולת ועמידות טובות יותר מאשר ציפוי 10 ננומטר.
ניתן לקבל את כמות התפשטות החלקיקים באמצעות עיבוד תמונה, כפי שמוצג באיור 4. מארז הציפוי של 5 ננומטר הראה התרחבות אריאלית פי 2, בעוד שמארז הציפוי של 10 ננומטר הראה התרחבות אריאלית פי 1.2 בלבד. קצב ההתפשטות של מארז ציפוי 5 ננומטר מהיר פי שישה מזה של מארז ציפוי 10 ננומטר.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig01.jpg"> איור 1: מכלול מחזיק TEM באתרו. (A) מחזיק הטיית TEM ריק באתרו. (B) הרכבת רשת TEM יצוקה למחצה עם מוט טונגסטן בצד ימין של המחזיק. (C) הרכבת ראש הבדיקה עם מחט טונגסטן בצד שמאל של המחזיק. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig02.jpg"> איור 2: הזזת מחט הטונגסטן לכיוון ננו-חלקיקי Si מצופים TiO2 ב-TEM. (A) איתור מחט הטונגסטן לגובה האוצנטרי והזזת המחט קרוב לרשת TEM. (B) מגע פיזי בין המחט לננו-חלקיקים מצוין על-ידי שינוי הניגודיות. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig03.jpg"> איור 3: סדרת תמונות TEM בנושא Lithiation . (A) ננו-חלקיקי Si מצופים TiO2 בגודל 5 ננומטר. (B) ננו-חלקיקי Si מצופים TiO2 בגודל 10 ננומטר. האיור נלקח מ-Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig04.jpg"> איור 4: מעקב אחר התפשטות של ננו-חלקיקים במהלך הליטציה . (A) מדידת שטח הננו-חלקיקים (על-ידי מצולע מצויר) מתמונת ה-TEM. (B) גרף הגדלת השטח לעומת זמן. האיור נלקח מ-Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</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

תוך שימוש בשינוי הנפח של ננו-חלקיקי Si במהלך (דה)ליתיזציה, הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטת סינון של ציפויים פוטנציאליים עבור סוללות מצב מוצק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים שידור באתרו .

סינון ציפויים לסוללת מצב מוצק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת באתרו

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 ...

ציפויי אלקטרודות ואלקטרוליטים הם קריטיים כדי להבטיח יציבות סוללה במצב מוצק מלא וביצועים לטווח ארוך. שיטת הסינון שלנו, המבוססת על מחקר TEM פשוט באתרו, מסייעת לנו לקבוע את חומר הציפוי האידיאלי, עובי הציפוי, ציפוי חד שכבתי או רב שכבתי, כמו גם הליכי ציפוי בסיס. הציפויים מיושמים על ננו-חלקיקי סיליקון.שינוי הנפח הדרסטי הידוע של הסיליקון במהלך הליטציה והדליתיזציה מאפשר לנו לעקוב אחר הליטציה והדליתיזציה דרך הציפוי בהגדלה נמוכה יחסית וכך, בקצב מינון אלקטרונים נמוך, מה שמבטיח שלא ייגרם נזק לקרן האלקטרונים. היום, ד"ר ג'ונבאום פארק, חוקר פוסט-דוקטורט מהקבוצה שלי, ידגים את ההליך. ד"ר ג'אנג-יון ג'ו, חוקר פוסט-דוקטורט ממכון ER-C, יסייע גם הוא בהדגמת ההליך.כדי להתחיל, הכינו רשת TEM חתוכה למחצה על ידי הנחת רשתות TEM בגודל שלושה מ"מ עם קצף תחרה על מגלשת זכוכית נקייה. לאחר מכן, חתכו את רשת TEM לרשתות חתוכות למחצה באמצעות סכין גילוח. לאחר מכן, פזרו את חלקיקי הסיליקון המצופים בטיטניום דו-חמצני לתוך אצטון ושחררו על אחת מרשתות TEM החתוכות למחצה עם פיפטה.חותכים חוט טונגסטן באמצעות פטמה לחתיכות קטנות באורך של 0.5 עד 1 סנטימטר. לאחר ערבוב שני מרכיבי הדבק המוליך על זכוכית המגלשה הנקייה, מדביקים את חוט הטונגסטן על הרשת החתוכה למחצה בדבק מוליך. לאחר מכן, לרפא את הדבק המוליך על ידי ייבוש אותו בטמפרטורת החדר במקום בטוח במשך ארבע שעות.חותכים את חוט הטונגסטן באמצעות פטמה לחתיכות קטנות באורך של כשני סנטימטרים ומרכיבים את חוט הטונגסטן על מכונת האלקטרופוליש. מערבבים 50% של 1.3 שומות לליטר נתרן הידרוקסידי ו-50% אתנול בכד של 10 מיליליטר. הגדר את הטווח הניתן להזזה המתאים של אלקטרודה נגדית כדי לשאת את האלקטרוליט מהכד.יש להפעיל את המתח עד שחוט הטונגסטן נחתך לשני חלקים, והתוצאה היא שתי מחטי טונגסטן חדות. לאחר מכן, לטעון את מחט טונגסטן מוכן על ראש הבדיקה. הכנס את ראש הבדיקה עמוס מחט טונגסטן במחזיק TEM באתרו עם רשת TEM יצוקה למחצה ותיק כפפות קטן לתוך תא הכפפות ארגון.גרדו את מתכת הליתיום עם ראש הבדיקה של מחט הטונגסטן המוכן והרכיבו את מחט הטונגסטן הטעונה בליתיום למחזיק TEM באתרו. הכניסו את מחזיק ה-TEM באתרו לתיק כפפות קטן. לאחר סגירת תיק הכפפות הקטן, הסר אותו מתא הכפפות.אטמו סביב גוניומטר TEM הריק עם תיק כפפות גדול והכניסו את תיק הכפפות הקטן והסגור המכיל את מחזיק TEM המורכב באתרו לתוך תיק הכפפות הגדול. שאבו וטיהרו את תיק הכפפות הגדול עם גז אינרטי יותר משלוש פעמים. לאחר מכן, פתח את השקית הקטנה והכנס את מחזיק TEM באתרו.שימו לב שהחשיפה הקלה לאוויר יוצרת שכבת תחמוצת ליתיום על הליתיום. שכבת תחמוצת ליתיום זו פועלת כאלקטרוליט מוצק. לאחר מכן, חבר את הכבלים בין מחזיק ה- TEM באתרו, יחידת הבקרה שלו ומקור זרם המתח.מצא את רשת TEM החתוכה למחצה. לאחר מכן, הזז את הגוניומטר כדי למקם את הרשת למצב האוצנטרי של ה- TEM. לאחר מכן, מצא את מחט טונגסטן עם ליתיום מצופה תחמוצת ליתיום.הפעל את שלב TEM מתנודד. לאחר איתור המחט לגובה אאוצנטרי על ידי תנועה גסה של המחזיק באתרו, מקרבים את המחט לרשת על ידי תנועה XY גסה של המחזיק, וככל שהמחט מתקרבת לרשת ההגדלה גדלה. הזז את המחט קדימה לרשת כדי ליצור מגע פיזי בין הליתיום המצופה בתחמוצת ליתיום לבין חלקיקי הסיליקון המצופים בטיטניום דו-חמצני על ידי התנועה העדינה של ראש הגשושית piezo של מחזיק באתרו.הגדר קצב מינון מתאים של הגדלה וקרן אלקטרונים. לאחר מכן, הפעילו מתח בין חלקיקי הסיליקון לליתיום באמצעות מקור המתח הנוכחי ולכדו את סדרת התמונות כדי להקליט את תהליכי הליטציה והפליטציה דרך שכבת הציפוי. ראשית, טען את תמונת TEM.לאחר מכן, בחרו בכלי בחירת מצולע וציירו מצולע לחלקיק היעד. לאחר מכן, מדדו את שטח המצולע המצויר והשוו את השטח הנמדד בין תמונות TEM שונות כדי להעריך את השינוי באזור בנקודות שונות במהלך תהליך הליטציה והדליתיזציה. התקבלו תמונות TEM של ליתציה על חלקיקי סיליקון מצופים טיטניום דו-חמצני.הציפוי של חמישה ננומטר מראה שהתרחשה התרחבות משמעותית בכל האזור והציפוי לא נשבר במהלך התרחבות ענקית. במקרה של ציפוי 10 ננומטר, התרחשה התרחבות קטנה יחסית גם לזמן ארוך יותר והציפוי נשבר לאחר שתי דקות. במהלך הליטציה, מארז הציפוי של חמישה ננומטר הראה התפשטות של כפליים, בעוד שמארז הציפוי של 10 ננומטר הראה רק פי 1.2 התפשטות אריאלית, מה שמדגים כי קצב ההתפשטות היה מהיר פי שישה במקרה של מארז הציפוי של חמישה ננומטר.עובי מתאים של שכבת תחמוצת ליתיום נדרש לניסוי מוצלח, ולכן שליטה על כמות החשיפה לאוויר היא שלב קריטי. לאחר הליך זה של ייצור מיקרו-סוללות בתוך התפשטות יוני הליום-נתרן ניתן גם לדמיין באמצעות ממשקי אלקטרודות ואלקטרוליטים. שיטה זו של ניתוח ההתאמה של ציפויים מסוימים המבוססים על TEM פשוט באתרו בהחלט תאיץ קדימה את הבחירה של ציפויי אנודה, קתודה ואלקטרוליטים אידיאליים ובכך את המסחור של סוללות מצב מוצק כל.

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

הכנת תיאום מאוד נקבובי פולימר ציפויים על מונוליתים פולימר Macroporous להעשרה משופרת של 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

ניטור באתרו של דיפוזיה של מולקולות צימרים נקבוביות מדיה באמצעות הדמית תהודה מגנטית אלקטרונית

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

בחיי עיר איפיון חלקיקים Boehmite במים באמצעות נוזלי SEM

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

במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים נוזלי-תא לצורך מעקב הרכבה עצמית של חלקיקים

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

קבלת מפות תלת-ממדיות כימי על ידי אנרגיה מסונן הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים טומוגרפיה

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

Microfluidic שבבים עבור בחיי עיר קריסטל רנטגן עקיפה ו בחיי עיר פיזור אור דינאמי עבור קריסטלוגרפיה טורי

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

ניתוח של מינרלים המיוצר על ידי hFOB 1.19 ואלקטרון Saos-2 תאים באמצעות שידור עם אנרגיה ואנליזת רנטגן Microanalysis

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

שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים של גראפן נוזל התא ללמוד בחיי עיר Nanocrystal תחריט

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

מבצע ספקטרוסקופיית על חלקיקי פלמונית עם מיקרוסקופ ניגוד מבוסס שידור מסוג Nomarski הפרעות דיפרנציאליות

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

הכנת התאים הנוזליים של הגרפן לתאי הנוזלי עבור הילוכים באתרו מיקרוסקופ אלקטרוני

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