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

Detta arbete utförs inom ramen för "Elektroskopi" (bidrag nr 892916) från Marie Skłodowska-Curie-åtgärden. J.P., O.C., H.T. och H.K., erkänner projektet iNEW FKZ 03F0589A från BMBF. CG erkänner finansiering från Royal Society, London för en URF (Grant no. UF160573).

1. Beredning av TiO 2-belagda Si-nanopartiklar (TiO2@Si NP) på halvskurna TEM-galler
<ol><li>Förbered ett halvklippt TEM-rutnät.<ol><li>Placera 3 mm TEM-galler med spetsfilm (se Materialförteckning) på en ren glasskiva.</li>
		<li>Skär TEM-gallret i halvskurna galler med ett rakblad.</li>
	</ol></li>
	<li>Släpp TiO2@Si NP på det halvskurna TEM-rutnätet. OBS: I denna studie användes 100 nm stora Si NPs belagda med 5 nm / 10 nm TiO2med atomlageravsättning15 . Forskare kan förbereda belagda Si NP på olika sätt.<ol><li>Sprid TiO2@Si NP i 10 ml aceton och droppgjut på ett av de halvskurna TEM-gallren med en pipett. Anmärkning: Cirka 10 5 μL droppar skulle resultera i tillräckligt TiO2@Si NP vid kanten av det halvskurna TEM-gallret.</li>
		<li>Kontrollera att TiO2@Si NP är placerade vid kanten via TEM. OBS: Detta är inte nödvändigt, men rekommenderas.</li>
	</ol></li>
	<li>Fäst volframtråd (W) på ett halvklippt TEM-galler.<ol><li>Skär W-tråden med en nipper (se materialtabell) i små bitar, med en längd av 0,5-1 cm.</li>
		<li>Blanda två komponenter av ledande lim på det rena glidglaset. Limma W-tråden på det halvskurna gallret med ledande lim.</li>
		<li>Bota det ledande limet genom att torka det vid rumstemperatur på ett säkert ställe i 4 timmar. OBS: För accelererad härdning, värm provet på en värmeplatta vid cirka 100 °C i 10 minuter.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Förbereda W-nålen
<ol><li>Skär W-tråden med en nipper i små bitar, med en längd på ~ 2 cm. Montera W-kabeln på elektropoleringsmaskinen (se Materialförteckning).</li>
	<li>Blanda 50% av 1,3 mol / L NaOH och 50% etanol i en 10 ml bägare. Ställ in rätt rörligt intervall för en motelektrod för att bära elektrolyten från bägaren. OBS: Elektropoleringsområdet kan justeras genom att flytta slingan upp och ner iterativt. Poleringsområdet är begränsat till 2-4 mm genom att ställa in slingans vertikala rörelse. Antalet vertikala rörelser i slingan är inställt på fem gånger per resa för att doppa slingan i elektrolytbägaren.</li>
	<li>Applicera spänningen tills W-ledningen är skuren i två delar-två vassa W-nålar. OBS: Poleringstillståndet som användes i denna studie var spänning (4,0 V) och slingans vertikala iterativa rörelse (2-4 mm) med fem iterationer per elektrolyt.</li>
	<li>Ladda den förberedda W-nålen på sondhuvudet.</li>
</ol>3. Fylla på det droppgjutna TEM-gallret och W-nålen i TEM-hållaren på plats
<ol><li>Sätt i det dropcastade halvskurna TEM-gallret, W nålbelastat sondhuvud, in situ TEM-hållare och liten handskpåse (öppnad) i det luftfria handskfacket (se Materialtabell).</li>
	<li>Repa Li-metallen med det förberedda W-nålhuvudet (Li / LixO@W nål). OBS: Li oxideras lätt (Li / LixO) av en liten mängd vatten.</li>
	<li>Montera Li/LixO@W nålsondhuvudet på TEM-hållaren på plats . Fyll på det dropcastade halvskurna TEM-gallret på TEM-hållaren på plats (figur 1).</li>
	<li>Lägg den monterade TEM-hållaren på plats i en liten handskpåse. Stäng den lilla handskpåsen och ta ut den ur handskfacket. OBS: Ta ut den monterade TEM-hållaren på plats strax före in situ-experimentet så att luftkontakten är så låg som möjligt.</li>
</ol>4. Införande av den monterade in situ-hållaren i det tvärgående elektromagnetiska planet
OBS: Li/ Li xO@W nålen kan oxideras av luft eller vatten i handskpåsen, så var försiktig.
<ol><li>Försegla runt den tomma TEM-goniometern (se Materialförteckning) med en stor handskpåse. Lägg den stängda lilla handskpåsen med den monterade TEM-hållaren på plats i den stora handskpåsen.</li>
	<li>Pumpa och rensa den stora handskpåsen med inert gas (Ar eller N2) mer än tre gånger. OBS: Den enda pumpnings- och rensningsprocessen kan ta cirka några minuter.</li>
	<li>Öppna den lilla påsen och sätt i den monterade TEM-hållaren på plats . Anslut kablarna till TEM-hållaren på plats . OBS: En kabel är för nålrörelsen från styrutrustningen, och den andra är för att applicera spänningen eller strömmen från strömförsörjningen (se materialtabell).</li>
</ol>5. Utförande av in situ-förspänningsexperimentet i TEM
<ol><li>Rikta in elektronstrålen. OBS: Alla TEM-tekniker och principer kan läras från referens16.</li>
	<li>Flytta Li/ Li xO@W nålen mot TiO 2@Si NP (figur 2). Ställ in den lägsta förstoringen.<ol><li>Hitta det halvklippta TEM-rutnätet. Lokalisera rutnätet till eucentrisk höjd med TEM-goniometern. Hitta Li / LixO@W nål.</li>
		<li>Kör TEM-stegets wobbling. Lokalisera nålen till eucentrisk höjd genom grov rörelse (tröghetsglidning med upprepad puls). OBS: Minimering av nålrörelsen indikerar den eucentriska höjden.</li>
		<li>Flytta nålen nära gallret genom grov rörelse. Öka förstoringen.</li>
		<li>Flytta nålen framåt till gallret för att få fysisk kontakt mellan nålen och TiO2@Si NP genom fin rörelse (piezoelektriskt rör). OBS: Kontraständring av TiO2@Si NP indikerar fysisk kontakt.</li>
	</ol></li>
	<li>Ställ in korrekt förstoring och strålintensitet. OBS: Elektrondosraten som användes i denna studie var 10 e-/Å2/s, ett jämförbart tillstånd för ett biologiskt prov.</li>
	<li>Applicera spänning och fånga bilden eller videon. OBS: Spänningen som användes i denna studie var 2 V.</li>
</ol>6. Analysera TEM-bilderna
<ol><li>Läs in TEM-bilden. Rita en polygon till målpartikel.</li>
	<li>Mät arean av den ritade polygonen. Jämför den uppmätta arean mellan olika TEM-bilder. OBS: För kvantifieringsändamål krävs inställning av skalan (enhet: pixel per längd) före mätningen. ImageJ (se Materialförteckning) användes för bearbetning av bilderna i den aktuella studien.</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>

Författarna har inget att avslöja.

Litiering av belagda Si NPs via in situ TEM möjliggör enkel undersökning av potentiella beläggningar för ASSB. Ett av de viktiga stegen för att bestämma framgången för dessa experiment är lämplig tjocklek på LiOx, som fungerar som en fast elektrolyt i dessa experiment. Eftersom jonledningsförmågan hos LiO x är signifikant lägre än för den typiska fasta elektrolyten som används i ASSB, skulle ett tjockare LiOx-skikt öka det inre motståndet och hämma jonledningen. Å andra sidan kan alla icke-oxiderade områden av litium fungera som ett valfritt medel för kortslutning av batteriet. Lämplig tjocklek på LiOx kan säkerställas genom att försiktigt transportera den monterade hållaren från handskfacket till TEM med hjälp av den så kallade handskväskan (beskrivs i steg 3 och 4).
Beläggningsbeteendet under litieringen kan undersökas på ett mer djupgående sätt, även vid denna låga förstoring om beläggningsdata (signal) extraheras separat från TEM-bilder utan data från Si-core (brus). Före litieringen särskiljs beläggning och Si NP lätt av kontrasten. Under litieringen minskade emellertid kontrastskillnaden, så det var svårt att undersöka fenomenet beläggning oberoende. STEM-avbildning kan förbättra kontrasten, och intensiteten hos STEM-bilder kan användas för volymmätning. Dessutom kan maskininlärning eller djupinlärningsteknik förbättra funktionsigenkänning och extrahera mer information för att förstå mekanismerna under in situ-experimenten 17. 
Det nuvarande förfarandet för (de)litiering av belagda Si NP via in situ TEM är begränsat till snabb screening för att hitta potentiella beläggningsmaterial. De nominerade beläggningskandidaterna måste testas i de faktiska ASSB: erna. In situ-förspänningsstudier av mikrobatterier, utarbetade genom fokuserad jonstråle på ett mikroelektromekaniskt system (MEMS), kan ge ytterligare information om den gränssnittsjoniska transportmekanismen 6,11.
Denna beläggningsscreeningsteknik kan anpassas till Na-jonbaserade ASSB genom att ersätta litium med natrium.

Idag finns Li-ion-batterier runt omkring oss, från olika elektroniska enheter som smartphones och bärbara datorer till elfordon, vars antal stiger brant för att flytta bort från den fossila bränslebaserade ekonomin 1,2. Med detta ständigt ökande är säkerhetsfunktioner för Li-ion-batterier ett högt prioriterat krav3. De flytande elektrolyterna som vanligtvis används i traditionella Li-ion-batterier är brandfarliga, särskilt vid högre driftspänningar och temperaturer. Däremot minskar användningen av icke brandfarliga fasta elektrolyter i all-solid state-batterier (ASSB) risken för brandfarlighet4. Detta, och potentiellt hög energitäthet, har fört ASSB till forskningens rampljus under de senaste åren. Det fasta-fasta elektrolyt-elektrodgränssnittet i ASSB medför dock sina egna utmaningar som skiljer sig ganska mycket från det traditionella flytande-fasta elektrod-elektrolytgränssnittet5. Många av de elektrolyter som används i ASSB är inte kemiskt och/eller elektrokemiskt stabila mot litium och katoder. Således orsakar sönderdelningsreaktioner vid elektrod-elektrolytgränssnitt bildandet av passiverande skikt, vilket resulterar i begränsad jontransport och en ökning av internt motstånd som leder till kapacitetsnedbrytning över battericykler6. Ett av de vanligaste sätten att förhindra en sådan reaktion är att applicera en beläggning på elektroderna och / eller elektrolyterna, vilket säkerställer att det inte finns någon direkt kontakt mellan elektrodelektrolyten och resulterar i ett stabilt gränssnitt. För detta ändamål undersöks för närvarande olika elektroniska och joniska ledande beläggningar 7,8.
De viktigaste kraven för idealisk beläggning är: det måste tillåta jonledning; det får inte öka batteriets inre motstånd; Och det måste vara kemiskt och mekaniskt stabilt under många battericykler. Andra frågor som beläggningstjocklek, enskikt eller flerskikt och idealisk beläggningsprocess är av största intresse för kommersialiseringen av ASSB. Således behövs en screeningmetod för att ta reda på de bästa beläggningarna.
Ett transmissionselektronmikroskop (TEM) har använts för att undersöka det fasta gränssnittet i ASSB upp till atomskala 9,10. Dessutom erbjuder operando TEM möjligheten att bygga ett mikrobatteri inuti ett TEM och studera batteriprocesserna under battericykling. För att spåra Li-ion-rörelser i batteriet krävs avbildning med hög upplösning11. Den inneboende höga elektronstråledosen av sådan högupplöst avbildning under hela experimentets varaktighet kan dock förändra de elektrokemiska vägarna. Ett alternativ till det är beläggningar som appliceras på Si-nanopartiklar (NP) och utsätts för (de)litiering. Under operando TEM-experiment, litieringsprocess genom beläggningen kan övervakas vid låg förstoring, tack vare de höga volymförändringarna av Si-nanopartiklar under (de) litiering12,13,14. Således kan hela battericykelprocessen övervakas vid en relativt låg elektrondos. Vidare kommer spänningen som genereras på beläggningen på grund av höga volymförändringar av Si att vara analog med den spänning som genereras på beläggningen under flera cykler. Således kan långvarig mekanisk stabilitet hos beläggningarna också undersökas. Denna artikel syftar till att dela, med exempel på olika tjocklekar av TiO2-beläggning, hur ett sådant operando TEM-experiment kan utföras för screening av potentiella ASSB-beläggningar. Protokollet kommer att förklara laddning av belagda Si NP på en in situ TEM-hållare, observera litiering av belagda Si NP i en TEM och analysera TEM-bilderna.

<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

Med den ständigt ökande användningen av Li-ion-batterier, särskilt på grund av deras antagande i elfordon, är deras säkerhet i främsta fokus. Således har all-solid state-batterier (ASSB) som använder fasta elektrolyter istället för flytande elektrolyter, vilket minskar risken för brandfarlighet, varit centrum för batteriforskning under de senaste åren. I ASSB utgör dock jontransporten genom gränssnittet mellan fast och fast elektrolyt en utmaning på grund av kontakt- och kemiska/elektrokemiska stabilitetsproblem. Att applicera en lämplig beläggning runt elektroden och / eller elektrolytpartiklarna erbjuder en bekväm lösning, vilket leder till bättre prestanda. För detta screenar forskare potentiella elektroniska/joniska ledande och icke-ledande beläggningar för att hitta de bästa beläggningarna med lämplig tjocklek för långsiktig kemisk, elektrokemisk och mekanisk stabilitet. Operando transmission electron microscopy (TEM) kombinerar hög rumslig upplösning med hög tidsupplösning för att möjliggöra visualisering av dynamiska processer, och är därför ett idealiskt verktyg för att utvärdera elektrod/elektrolytbeläggningar genom att studera (de)litiering på en enda partikelnivå i realtid. Den ackumulerade elektrondosen under ett typiskt högupplöst in situ-arbete kan dock påverka de elektrokemiska vägarna, vars utvärdering kan vara tidskrävande. Det nuvarande protokollet presenterar ett alternativt förfarande där de potentiella beläggningarna appliceras på Si-nanopartiklar och utsätts för (de)litiering under operando TEM-experiment. De höga volymförändringarna av Si-nanopartiklar under (de) litiering möjliggör övervakning av beläggningsbeteendet vid en relativt låg förstoring. Således är hela processen mycket elektrondoseffektiv och erbjuder snabb screening av potentiella beläggningar.

En serie TEM-bilder av litiering på 5 nm och 10 nm TiO 2-belagda Si/SiO2-partiklarvisas i figur 3. Vid 5 nm-beläggning inträffade betydande expansion i hela området, och beläggningen bröts inte under stor expansion. Vid 10 nm-beläggning inträffade relativt liten expansion även under en längre litieringstid, och beläggningen bröts efter 2 minuter. Från mängden expansion och beläggningsbrott lovas 5 nm beläggning att visa bättre kapacitet och hållbarhet än 10 nm beläggning.
Mängden partikelexpansion kan erhållas genom bildbehandling som visas i figur 4. 5 nm-beläggningshöljet visade cirka 2x arealexpansion, medan 10 nm-beläggningshöljet endast visade 1,2x arealexpansion. Expansionshastigheten för 5 nm-beläggningshöljet är sex gånger snabbare än för 10 nm-beläggningshöljet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig01.jpg"> Figur 1: TEM-hållare in situ. a) En tom TEM-förspänningshållare på plats. b) Montering av det droppgjutna halvskurna TEM-gallret med en volframstång på höger sida av hållaren. (C) Montering av sondhuvudet med en volframnål på vänster sida av hållaren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig01large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig02.jpg"> Figur 2: Flytta volframnålen mot TiO2-belagda Si-nanopartiklar i TEM. (A) Lokalisering av volframnålen till eucentrisk höjd och förflyttning av nålen nära TEM-gallret. (B) Fysisk kontakt mellan nålen och nanopartiklarna indikeras genom kontrastförändring. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig02large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig03.jpg"> Figur 3: TEM-bildserier om litiering. A) 5 nm TiO2-belagda Si-nanopartiklar. b) 10 nm TiO2-belagda Si-nanopartiklar. Figuren är anpassad från Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig03large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64316/64316fig04.jpg"> Figur 4: Spåra expansionen av nanopartiklar under litiering . (A) Mätning av nanopartiklarnas area (med en ritad polygon) från TEM-bilden. (B) Grafen över areaökning jämfört med Tid. Figuren är anpassad från Basak et al.15. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64316/64316fig04large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</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

Med hjälp av volymförändringen av Si-nanopartiklar under (de) litiering beskriver detta protokoll en screeningmetod för potentiella beläggningar för all-solid state-batterier med hjälp av in situ-transmissionselektronmikroskopi.

Screening av beläggningar för ett helt solid state-batteri med hjälp av in situ-transmissionselektronmikroskopi

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 ...

Elektrod- och elektrolytbeläggningar är avgörande för att säkerställa solid-state-batteristabilitet och långsiktig prestanda. Vår screeningmetod, baserad på en enkel in situ TEM-studie, hjälper oss att bestämma det ideala beläggningsmaterialet, beläggningstjockleken, enskikts- eller flerskiktsbeläggningen samt basbeläggningsprocedurer. Beläggningarna appliceras på kiselnanopartiklar.Den välkända drastiska volymförändringen av kisel under litiering och delithiation gör att vi kan spåra litiering och delithiation genom beläggningen vid relativt låg förstoring och därmed vid en låg elektrondosrat, vilket säkerställer ingen elektronstråleskada. Idag kommer Dr.Junbeom Park, en postdoktoral forskare från min grupp, att demonstrera proceduren. Dr.Janghyun Jo, en postdoktoral forskare från ER-C Institute, kommer också att hjälpa till att demonstrera proceduren.Börja med att förbereda ett halvklippt TEM-rutnät genom att placera tre millimeter TEM-galler med spetsskum på en ren glasskiva. Skär sedan TEM-gallret i halvskurna galler med ett rakblad. Därefter sprida de titandioxidbelagda kiselnanopartiklarna i aceton och släpp gjutna på ett av de halvskurna TEM-gallren med en pipett.Skär en volframtråd med en nipper i små bitar med en längd av 0,5 till 1 centimeter. Efter blandning av de två komponenterna av ledande lim på det rena glidglaset, lim volframtråden på det halvskurna gallret med ledande lim. Bota sedan det ledande limet genom att torka det vid rumstemperatur på ett säkert ställe i fyra timmar.Skär volframtråden med en nipper i små bitar med en längd av cirka två centimeter och montera volframtråden på elektropoleringsmaskinen. Blanda 50% av 1,3 mol per liter natriumhydroxid och 50% etanol i en 10-milliliter bägare. Ställ in rätt rörligt område för en motelektrod för att bära elektrolyten från bägaren.Applicera spänningen tills volframtråden skärs i två delar, vilket resulterar i två vassa volframnålar. Ladda sedan den förberedda volframnålen på sondhuvudet. För in det tungsten nålbelastade sondhuvudet in situ TEM-hållare med det drop-casted, halvskurna TEM-gallret och den lilla handskpåsen i argonhandskfacket.Repa litiummetallen med det förberedda volframnålsondhuvudet och montera den litiumladdade volframnålen på TEM-hållaren på plats. Lägg den monterade TEM-hållaren på plats i en liten handskpåse. När du har stängt den lilla handskpåsen, ta bort den från handskfacket.Försegla runt den tomma TEM-goniometern med en stor handskpåse och lägg den stängda lilla handskpåsen med den monterade TEM-hållaren på plats i den stora handskpåsen. Pumpa och rensa den stora handskpåsen med en inert gas mer än tre gånger. Öppna sedan den lilla påsen och sätt in den monterade TEM-hållaren på plats.Observera att den lilla luftexponeringen bildar ett litiumoxidskikt på litiumet. Detta litiumoxidskikt fungerar som den fasta elektrolyten. Anslut sedan kablarna mellan TEM-hållaren på plats, dess styrenhet och spänningsströmkällan.Hitta det halvklippta TEM-rutnätet. Flytta sedan goniometern för att placera gallret till det eucentriska läget för TEM. Därefter hittar du volframnålen med litiumoxidbelagt litium.Kör TEM-stegets wobbling. Efter att ha lokaliserat nålen till eucentrisk höjd genom grov rörelse av in situ-hållaren, flytta nålen nära gallret genom grov XY-rörelse av hållaren, och när nålen kommer närmare gallret ökas förstoringen. Flytta nålen framåt till gallret för att få fysisk kontakt mellan det litiumoxidbelagda litiumet och de titandioxidbelagda kiselnanopartiklarna genom den fina rörelsen av piezosondhuvudet på in situ-hållaren.Ställ in lämplig förstorings- och elektronstråledosrat. Applicera sedan en spänning mellan kiselnanopartiklarna och litium med hjälp av strömspänningskällan och fånga bildserien för att registrera litierings- och delithieringsprocesserna genom beläggningsskiktet. Läs först in TEM-bilden.Välj sedan polygonmarkeringsverktyget och rita en polygon till målpartikeln. Mät sedan arean för den ritade polygonen och jämför det uppmätta området mellan olika TEM-bilder för att uppskatta förändringen i området vid olika punkter under litierings- och delithieringsprocessen. TEM-bilder av litiering på titandioxidbelagda kiselpartiklar erhölls.Beläggningen på fem nanometer visar att betydande expansion inträffade i hela området och beläggningen bröts inte under stor expansion. Vid 10-nanometerbeläggning skedde en relativt liten expansion även under en längre litieringstid och beläggningen bröts efter två minuter. Under litieringen visade beläggningshöljet på fem nanometer cirka två gånger arealutvidgningen, medan 10-nanometerbeläggningshöljet endast visade 1,2 gånger arealutvidgningen, vilket visar att expansionshastigheten var sex gånger snabbare när det gäller beläggningsfallet med fem nanometer.Lämplig tjocklek på litiumoxidskiktet krävs för ett framgångsrikt experiment, så kontroll av mängden luftexponering är ett kritiskt steg. Efter denna procedur för mikrobatteritillverkning inuti helium-natriumjonutbredningen genom elektrod- och elektrolytgränssnitt kan också visualiseras. Denna metod för att analysera lämpligheten hos specifika beläggningar baserat på en enkel in situ TEM kommer säkert att påskynda valet av ideala anod-, katod- och elektrolytbeläggningar och därmed kommersialiseringen av alla solid state-batterier.

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

Framställning av mycket porösa samordningspolymerbeläggningar på Makroporösa polymermonoliter för Enhanced Anrikning av fosfopeptider

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

In Situ Övervakning av Diffusion av gästmolekyler i porösa material Använda elektronspinnresonans Imaging

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

In Situ Karakterisering av Boehmite partiklar i vatten med flytande 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

Vätska-cell transmissionselektronmikroskopi för spårning självmontering av nanopartiklar

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

Att erhålla 3D kemiska kartor av energi filtreras Transmission Electron Microscopy tomografi

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

Mikroflödessystem marker för In Situ Crystal röntgendiffraktion och In Situ dynamiska ljusspridning för seriell Crystallography

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

Analys av mineraler produceras av hFOB 1.19 och Saos-2 celler använder transmissionselektronmikroskopi med Energy Dispersive X-ray mikroanalys

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

Använda grafen vätska Cell transmissionselektronmikroskopi att studera in Situ fysikalisk etsning

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

Utföra spektroskopi på Plasmonic nanopartiklar med transmission-baserade Nomarski-typ differential interferens kontrast Microscopy

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

Beredning av Grafenstödda mikrobrunn-Vätskeceller för in situ -transmissionselektronmikroskopi

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