All-katı-hal piller gelişimi için destek fon yazarlar kabul ve in situ içinde yalan ve TEM tutucu geliştirme tarafından ABD Enerji Bakanlığı, Office temel Enerji Bilimler, küçük sayı DE-SC0002357 Ödülü. Ulusal Laboratuvarları ile işbirliği kuzeydoğu Merkezi kısmi destek için kimyasal enerji depolama, ABD Enerji Bakanlığı'nın, Office temel Enerji Bilimler Ödülü altında tarafından finanse edilen bir enerji sınır Araştırma Merkezi ile mümkün olmaktadır numarası DE-SC0001294. Bu araştırma merkezi kaynakları fonksiyonel Nanomalzemeler, bir ABD DOE Office, bilim tesisi, Sözleşme No altında Brookhaven Ulusal Laboratuvarı için kullanılan DE-SC0012704. Bu eser, San Diego nanoteknoloji altyapı (SDNI), üye Ulusal nanoteknoloji koordine Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS-1542148) tarafından desteklenen altyapısı, kısmen gerçekleştirildi. FIB iş, UC Irvine malzemeleri Araştırma Enstitüsü (kısmen Ulusal Bilim Vakfı Merkezi kimya uzay-zaman sınırı (CHE-082913) tarafından finanse edilen araçları kullanarak IMRI), kısmen gerçekleştirildi. Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory bizi ince film pil sağlamak için teşekkür ederiz. JL Bursları Eugene Cota-Robles desteklemek ve D.S SIRP, Hindistan Ramanujan Bursu (SB/S2/RJN-100/2014) için müteşekkir olduğunu kabul eder.

1. örnek ve sistem hazırlanması
<ol><li>Bir Al2O3 substrat (500 µm kalınlığında), bir altın katot geçerli Toplayıcı oluşan bir tam ince film pil ulaşmak (100-150 nm kalın, DC püskürtmeli), bir LiCoO2 katot (2 µm kalınlığında, RF püskürtmeli), bir LiPON elektrolit (1 µm kalınlığında, RF püskürtmeli), bir amorf silikon anot (80 nm kalın, RF püskürtmeli) ve Cu anot geçerli Toplayıcı (100 nm, püskürtmeli DC)16,17.</li>
	<li>25 mm çapında alüminyum SEM saplama üzerinde tam ince film pil bağlayın ve bakır teypten elektrikle şarj etkileri en aza indirmek için SEM saplama katot geçerli Toplayıcı bağlamak için kullanın.</li>
	<li>Odası pompa önce bakır kılavuza nanobattery üzerine monte ve katot (şekil 1) iletken İlerlenilen işlevi görecek bir düşük gürültü elektrik yol var doğrulayın.<ol>
<li>Katot kurşun bağlanmak Sahne Alanı'na bir korumalı elektrik feedthrough ile olduğu gibi elektron ışını geçerli (EBIC) ölçümleri uygun bağlantı türü ile indüklenen için donatılmış sistemler mevcut. Dahili olarak, feedthrough maruz kalan bir ipucu ile korumalı bir tel ile sahne bağlanın; açıkta tel ucu korumanın yöntemi örnek sahne türüne bağlıdır ve burada, bu yerde bir kullanılmayan sahne set vida ile düzenlenmektedir.</li>
		<li>Alternatif olarak ve gerecin sahne, topraklama devresi yapılandırmasına bağlı olarak şekil 1' de gösterildiği gibi bir BNC kablo ile sahne yere potansiyostat katot kurşun bağlayın.</li>
		<li>Potansiyostat sürekli geçerli modda kullanarak düşük akım gürültü testi gerçekleştirin. Hangi situ ile gerçekleştirilecek Bisiklete binme vardır geçerli uygulamak ve doğruluk ve kesinlik ölçülen geçerli gözlemlemek. Not: 1.3.1 içinde açıklanan yapılandırma'yı kullanarak, 1 pA ± 0,1 PA ölçülen bir akım sağlanır.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Benzer şekilde, bir iletken yol micromanipulator uç--dan sonda dışa doğru potansiyostat anot kurşun BNC kablo veya şekil 1' de gösterildiği gibi bir timsah klip kullanarak zemin micromanipulator bağlanarak oluşturmak.<ol>
<li>1.3.3 adımı olduğu gibi potansiyostat sürekli geçerli modda kullanarak düşük akım gürültü testi gerçekleştirin. Not: 1.4. adımda anlatılan bağlantıları kullanarak, elde en az istikrarlı geçerli micromanipulator için bağlı unshielded gerekçesiyle nedeniyle 10 pA ± 1 pA oldu.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Asansör-dışarı-in Nanobattery
<ol><li>Örnek SEM/FIB odası ve pompa aşağı sistem belirtilen yüksek vakum (≤10-5 mbar) üzerinde elektron açmadan önce yüklemek kiriş ve iyon ışınla görüntüleme.</li>
	<li>Elektron ışını ince film batarya yüzey üzerinde odaklanmak ve standart SEM/FIB yordamları1kullanarak eucentric yüksekliği belirlemek.</li>
	<li>Öyle ki iyon demeti pil yüzeye normal örnek eğimli (burada 52° örnek eğimli) ve bir iyon demeti mevcut 0.3 nA çevresinde ince film bataryanın en iyi geçerli Toplayıcı üzerinde 1,5-2 µm kalın bir tabaka Organometalik Platin FIB yatırılan mevduat bir d durmak zaman 200 ns 25 x 2 µm (Şekil 2) bir alanın üzerinde.</li>
	<li>İyon ışını voltajı 100 30 kV ve iyon demeti Işınma Zamanı ayarla ns deneysel protokol geri kalanı için.</li>
	<li>Seçeneği, freze bir adım-deseni kesitsel yalan yalan yazılım, sağlanan nanobattery yığın TEM lamel hazırlık1Pt-mevduat çevresinde ortaya çıkarmak için kullanması. Freze geçerli ≤2.8 seçin na En az 1 µm etkin ince film pil altında uzanan bir değirmen derinlik giriş (Z = 5 mikron bu durumda), Kesit genişliği (X) 25 µm ve çapraz kesit yüksekliği (Y) 1.5 z (burada, Y 7.5 µm =). Daha sonra pil kesit, SEM görülebilmesini maruz kalmaktadır (elektron ışını yüzey normal üzerinden 52 ° burada) olduğu gibi şekil 3. Not: Gerçek öğütülmüş ince film pil bağımlı derinliğidir.</li>
	<li>Nerede iyon artımlı olarak temizlenmektedir yüzeye daha yakın raster ışınla, FIB yazılım bir iyon demeti geçerli ≤0.3 ile kapalı temiz nA malzeme yeniden yatırılan ve açıkça ortaya katmanlı yapısı ( bir kesit temizlik yordamı kullanın Şekil 3).</li>
	<li>(J-keser veya U-keser de denir) dikdörtgen altında keser bir sahne tilt 0 ° bir dizi yapmak ve geçerli ≤2.8 ışınla nA nanobattery2çoğunluğu yalıtmak için. Au geçerli Toplayıcı Al2O3 substrat, II üzerine aşağıda alt i) bir dikdörtgen 0.5 x 25 µm oluşan altı kesim yapmak) bir dikey dikdörtgen 0,5 µm geniş (X) ve nanobattery kalınlık (Y) ve III tamamı üzerinden) dikey dikdörtgen 0.5 µm geniş (X) ve yüksekliği gibi şekil 4birPt kaplı nanobattery çevresinde nanobattery kalınlığı (Y - 2.5 µm) daha az olan. Bu üç alt kesim (aynı anda öğütülmüş), paralel modunda malzeme altında kesim bölgeler içinde yeniden birikimi önlemek için yapılmalıdır.</li>
	<li>Örnek 180 ° Döndür ve adım 2,5 olduğu gibi kesme vuruşu aynı yatay gerçekleştirmek. Bu alt ve nanobattery dışında kalan bağlı bölge kenarlarında yalıtır.</li>
	<li>Örnek 180 ° döndür. Kontrol yazılımı belirtilen park konumuna micromanipulator takın, daha sonra yazılım x-y-z hareketi kullanarak nanobattery ile temas yavaşça.</li>
	<li>Micromanipulator nanobattery üzerine Pt bölgesine iyon 0.5 µm yatırma ışın tarafından tamir kalın Pt 30 keV iyon demeti 10 pA bir akım ile 2 x 1 µm bir alan üzerinde kullanarak.</li>
	<li>Kalan iyon değirmen nanobattery bölümünü 1 nA ve zam dikey olarak micromanipulator (şekil 4b) ile nanobattery çevresinde geçerli bir ışın ile bağlı.</li>
	<li>Mount nanobattery Cu FIB Asansör-out kılavuz 2 µm kalınlığında iyon-ışın ile 30 keV iyon demeti 0,28 nA bir akım ile 10 x 5 µm bir alan üzerinde kullanarak Pt yatırılır.</li>
	<li>İyon değirmen uzakta 1 x 1 µm derinliğe kadar 2 µm duran bir bölümü bırakarak, bir alanın üzerinde 0,28 nA bir akım ile 30 keV iyon ışını kullanarak nanobattery ve micromanipulator arasındaki bağlantı Cu kılavuz (şekil 5)1' e bağlı. Not: Cu Asansör-out kılavuz nanobattery montaj hem de sahne ve nanobattery arasındaki iletken bir yol olarak hizmet için düz bir üs sağlamaktadır.</li>
</ol>3. Temizleme ve Nanobattery Bisiklete binme
<ol><li>Öyle ki iyon demeti pil yüzeye normal örnek eğilme ve kesitsel bir temizlik yordamı kullanın (bkz. Adım 2.4) üzerinden bireysel katmanları net bir görünüm için önde gelen Cu kılavuz yakınındaki nanobattery 5 mikron geniş bölümünü yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için nanobattery (şekil 6bir). Not: Önceki freze adımlardan gelen yeniden bırakılmış materyalin nanobattery mamüllerinin etkin çekirdeği açığa ve kısa devre önlemek için kılavuz monte nanobattery kaldırılması gerekir.</li>
	<li>Depozito 500 nm kalın FIB-Pt 30 keV ışın 0.1 nA bir akım ile 1 x 2 µm bir alan üzerinde katot geçerli Toplayıcı ve elektriksel olarak sahne alanı'na (şekil 6b) bağlı metalik ızgara arasında elektrik bir kişi oluşturmak için kullanarak.</li>
	<li>Örnek 0 ° eğim ve bir iyon kullanarak 1 nA geçerli ışınla, bir dikdörtgen 3 µm geniş ve yeterince derin kesilmiş olun (Z ~ 2 µm) tamamen anot geçerli Toplayıcı ve elektrolit, anot (şekil 6c) Cu kılavuzundan yalıtma kaldırmak için.</li>
	<li>Kesit temizlik yordamı kullanın (bkz. Adım 2.4) tek tek katmanları şekil 6 ' da gösterilen belirgin görünür hale gelene kadar tüm nanobattery kesit kenarlarına etrafında yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için 0,1 nA çevresinde geçerli bir iyon kirişli d.</li>
	<li>Micromanipulator park konumuna yerleştirin ve kontrol yazılımı kullanarak, Pt anot geçerli Toplayıcı yukarıda temas micromanipulator getir. İyon demeti mevduat 0.2 µm kalınlığında 30 keV iyon demeti 10 pA bir akım ile 2 x 1 µm bir alan üzerinde "kaynak için" kullanarak Pt connect micromanipulator ve geçerli Toplayıcı ( şekil 6d)1.</li>
	<li>Potansiyostat galvanostatic Bisiklete binme modunda çalıştırın. Kullanılan geçerli parametreler fabrikasyon nanobattery ve istenen C-oranı son kesitsel alan üzerinde bağlıdır, ancak genellikle birkaç na sırasına olacaktır Biz gider öğesini seçin ve akım yoğunluğu µA/cm2onlarca sırasına öyle ki deşarj akımları. LiCoO2-tabanlı ince film piller, voltaj alanı olduğunu 2.0 ve 4,2 V.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Giannuzi, L. A., Stevie, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to focused ion beams: Instrumentation, theory, techniques and practice. , (2005).</li><li>Mayer, J., Giannuzi, L. A., Kamino, T., Michael, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TEM+sample+preparation+and+FIB-induced+damage.">TEM sample preparation and FIB-induced damage.</a> MRS Bulletin. 32 (5), 400-407 (2007).</li><li>Pellerin, J. G., Griffis, D. P., Russeli, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+ion+beam+machining+of+Si,+GaAs+and+InP.">Focused ion beam machining of Si, GaAs and InP.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 8, 1945-1950 (1990).</li><li>Rubanov, S., Munroe, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+structure+of+damage+layers+in+TEM+samples+prepared+using+a+focused+ion+beam.">Investigation of the structure of damage layers in TEM samples prepared using a focused ion beam.</a> J. Mater. Sci. Lett. 20 (13), 1181-1183 (2001).</li><li>Lugstein, A., Basnar, B., Bertagnolli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+focused+ion+beam+response+of+GaAs+in+the+nanoscale+regime.">Study of focused ion beam response of GaAs in the nanoscale regime.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 20, 2238-2242 (2002).</li><li>Kato, N. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+focused+ion+beam+damage+to+transmission+electron+microscopy+samples.">Reducing focused ion beam damage to transmission electron microscopy samples.</a> J. Elect. Micro. 53 (5), 451-458 (2004).</li><li>Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+quality+sample+preparation+by+low+kV+FIB+thinning+for+analytical+TEM+measurements.">High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements.</a> Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).</li><li>Miyajima, N., 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=Combining+FIB+milling+and+conventional+argon+ion+milling+techniques+to+prepare+high-quality+site-specific+TEM+samples+for+quantitative+EELS+analysis+of+oxygen+in+molten+iron.">Combining FIB milling and conventional argon ion milling techniques to prepare high-quality site-specific TEM samples for quantitative EELS analysis of oxygen in molten iron.</a> J. Elect. Microsc. 238 (3), 200-209 (2010).</li><li>Scahaffer, M., Schaffer, B., Ramasse, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sample+preparation+for+atomic-resolution+STEM+at+low+voltages+by+FIB.">Sample preparation for atomic-resolution STEM at low voltages by FIB.</a> Ultramicroscopy. 114, 62-71 (2012).</li><li>Wang, Z., 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=Effects+of+cathode+electrolyte+interfacial+(CEI)+layer+on+long+term+cycling+of+all-solid-state+thin-film+batteries.">Effects of cathode electrolyte interfacial (CEI) layer on long term cycling of all-solid-state thin-film batteries.</a> J. Power Sources. 324, 349-357 (2016).</li><li>Bates, J. B., Dudney, N. J., Gruzalski, G. R., Zuhr, R. A., Choudhury, A., Luck, C. F., Robertson, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+characterization+of+amorphous+lithium+electrolyte+thin+films+and+rechargeable+thin-film+batteries.">Fabrication and characterization of amorphous lithium electrolyte thin films and rechargeable thin-film batteries.</a> J. Power Sources. 43, 103-110 (1993).</li><li>Brazier, A., Dupont, L., Dantras-Laffont, L., Kuwata, N., Kawamua, J., 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=First+cross-section+observation+of+an+all-solid-state+lithium+ion+"nanobattery"+by+transmission+electron+microscopy.">First cross-section observation of an all-solid-state lithium ion "nanobattery" by transmission electron microscopy.</a> Chem. Mater. 20 (6), 2352-2359 (2008).</li><li>Yamamoto, 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=Dynamic+visualization+of+the+electric+potential+in+an+all-solid-state+rechargeable+lithium+battery.">Dynamic visualization of the electric potential in an all-solid-state rechargeable lithium battery.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49 (26), 4414-4417 (2010).</li><li>Santhanagopalan, D., 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=Interface+limited+lithium+transport+in+solid-state+batteries.">Interface limited lithium transport in solid-state batteries.</a> J. Phys. Chem. Lett. 5 (2), 298-303 (2014).</li><li>Wang, Z., 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+STEM-EELS+observation+of+nanoscale+interfacial+phenomena+in+all-solid-state+batteries.">In situ STEM-EELS observation of nanoscale interfacial phenomena in all-solid-state batteries.</a> Nano Lett. 16 (6), 3760-3767 (2016).</li><li>Jang, Y. -. I., Dudney, N., Blom, D. A., Allard, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-voltage+cycling+behavior+of+thin-film+LiCoO2+cathodes.">High-voltage cycling behavior of thin-film LiCoO2 cathodes.</a> J. Electrochem. Soc. 149 (11), 1442-1447 (2002).</li><li>Neudecker, B. J., Zuhr, R. A., Bates, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lithium+silicon+tin+oxynitride+(LiySiTON):+high-performance+anode+in+thin-film+lithium+ion+batteries+for+microelectronics.">Lithium silicon tin oxynitride (LiySiTON): high-performance anode in thin-film lithium ion batteries for microelectronics.</a> J. Power Source. 81, 27-32 (1999).</li><li>Ziegler, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SRIM-2003.">SRIM-2003.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 219, 1027-1036 (2004).</li><li>Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+quality+sample+preparation+by+low+kV+FIB+thinning+for+analytical+TEM+measurements.">High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements.</a> Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).</li></ol>

İfşa etmek yok.

Sonuçlarımız tarafından gösterildiği gibi açıklanan tekniği mamüllerinin active nanobatteries daha büyük bir ince film pil kaldırdı üretir. Bu tür teknikler nanobattery kutuplama galvanostatically tarafından gömülü arabirimleri ex situ ve in situ kök/yılan karakterizasyonu etkinleştirdiniz. Bu şarj elektrokimyasal durumunu bağlı kantitatif kimyasal olayların benzeri görülmemiş yüksek çözünürlüklü karakterizasyonu sağlar. Ancak, bu sonuçlar elde etmek için bir dizi belirli engellerin aşılması gereken.
FIB işleme başlamadan önce sürekli geçerli test nanobattery anot ve katot için bir düşük gürültü elektrik yol olması için yapılmalıdır. Katot tarafı test Bacalı FIB odası ile gerçekleştirilebilir. Nanobattery imalat için odası aşağı pompalama önce pozitif terminal deney (ya bir vakum feedthrough veya sahne alanı yoluyla) gerçekleştirme gibi bağlı olması ve eksi terminali doğrudan Sahne Alanı'na bağlı. Not dokunmatik alarm olarak bir sahne bağlantısı kullanıyorsanız, araç'ın dokunmatik alarm özelliği devre dışı olabilir ve hiçbir daha fazla sahne devirme gerekli olduğunda bağlantı sadece yapılmalıdır. Ancak, burada test sistem vakum altında olmasını gerektirir ve geçerli hem micromanipulator hem de sahne devre üzerinden geçecek. Micromanipulator elektrikle Pt ile sürekli geçerli gürültü testleri için bakır kılavuza yapıştırılır. Geçerli çözünürlük sorunları devam ederse, sistem yerden sahne decouple hakkında bilgi için satıcınıza başvurun.
Bu teknik işe katı-elektrolit LiPON zarar en aza indirmek için sağlanan iyon kiriş özellikleri kullanmak için önemlidir. LiPON (i) nemli atmosferik koşullar, (ii) elektron ışını ve (iii) iyon kirişler güneşe maruz son derece duyarlıdır. Bu nedenle katı hal nanobattery imalat işlemi bu koşullar her üç maruz indirilmesi gerekir. Atmosferik koşullar öncesi ve sonrası üretim maruz kesinlikle indirilmelidir. Situ FIB Bisiklete binme süreci tarif bu pozlandırmayı en aza indirmek için bir çözüm geliştirilmiştir. Sırasında ve sonrasında imalat, elektron ışını görüntüleme sınırlı, katı-elektrolit zarar gibi olmalıdır. Benzer şekilde, iyon demeti görüntüleme elektrolit ve diğer aktif bileşenleri de yıkımı önlemek için sınırlı olmalıdır. Kez ve belirli freze dosya ekipman malzemeleri/ekipman için belirli reaktifler, ekipman ve üreticiler tablosundaki özetlenen temel alır; Bu yalan enstrümanlar arasında değişiklik gösterebilir ve değişiklikler başka bir araç kullanırken gerekli olabilir.
Bir nanobattery yalan imalatı tüm parametrelerin kullanımı düşük ışın geçerli ve hasar14en aza indirmek için bekleme süresi en kritik konulardır. Gerektiğinde, düşsel iyon ışınlar, daha düşük ışın akım (genellikle pA) ve düşük Işınma Zamanı ve elektron düşük piksel yaşamak zamanlarda ile gerçekleştirilir (100 ns). Çoğu zaman, yüksek zaman elektron ışını üreten üzerindeki LiPON elektrolit görünür değişiklikleri görüntüleme yaşamak. Şekil 7 bir zarar görmemiş bir LiPON gösterir ve daha fazla bir elektron ışını ile görüntüleme hasar LiPON katmana Şekil 7bgösterildiği gibi indükler. Bu hasar geri dönüşü olmayan bir kontrast değişiklik sonucu olduğunu ve nanobattery mamüllerinin inaktif hale getirecek.
Ayrıca, elektrokimyasal Bisiklete binme için uygun katot geçerli Toplayıcı ve ızgara arasında elektriksel temas düzgün yapmak için özen göstermelidir (şekil 6b). Benzer şekilde anot (şekil 6); micromanipulator kişiye sağlamak önemlidir şekil 8bir, yaklaşık 150 içinde görüldüğü gibi s, ani bir artış elektrokimyasal veri karşılık gelen bir titreşim indüklenen iletişim sorunu ile anot. Potansiyel micromanipulator-anot ilgili kişinin istikrarsızlık için göz önüne alındığında, zaman test in situ sırayla şarj süresini azaltma nanobattery kapasite sınırlayarak küçültülür.
Gerilim profil ince ince tabaka batarya ile tutarlı değilse, büyük olasılıkla bazı yeniden ifade kısaltma sorunları (şekil 10) neden olduğu temizlik yordamı tekrarlanır. Anot yalıtım adım özellikle yeniden bırakılmış materyalin büyük bir kaynağıdır. Akım yoğunluğu buna göre düzeltilmesi gerektiğini bu yüzden temizlik bu yordamı nanobattery kesiti azalır. İyon demeti zarar yapamam tamamen kaçınılması ve en fazla 25 birkaç nm arasında sınırlı olduğu belirtilmektedir nm iyon saçılma simülasyonlar SRIM üzerinden hesaplanan olarak yüzey içine programı için 30 keV Ga+ elektrot malzemeleri18içine. Düşük enerji işleme hasar büyük ölçüde19azaltabilir. FIB süreci işte benzersiz ve imalat, işleme ve nanodevices situ test FIB-SEM çift kiriş sistemleri tarafından etkin gösterdi. Bu işlemi diğer pili kimyaları ve diğer Nano aygıtlara genişletmek mümkündür.
Bu protokol için sağlanan belirli parametreleri de alternatif elektrokimyasal sistemler için doğrudan aktarılmayabilir unutmamak gerekir. LiPON termal etkileri duyarlı iyon kiriş yüksek tarama oranları altında tespit edilmiştir. Ancak, diğer elektrolitler-ebilmek ıstırap çekmek--dan diğer hassasiyetleri. Benzer şekilde, her ne kadar iyi elektrokimya Ga+ iyon freze sonra gösterdi bu protokolü malzeme sistemi test, diğer malzemeler sistemleri iyon straggle ve implantasyon için daha duyarlı olabilir. Bu nedenle, daha fazla parametre uzay keşfi alternatif malzeme sistemler için gerekli olabilir. Bu alanda araştırma gelişmiş karakterizasyonu teknikleri ile büyük ölçüde keşfedilmemiş olsa katılaşarak gibi daha hassas malzemeler kötü iyon freze sonra gerçekleştirebilir. Gerçekçi olmak gerekirse, modern katı elektrolitler genellikle kristal ve daha LiPON daha güçlü olduğu gibi bu parametreler faiz, en malzeme sistemleri için çevirecektir. Bu potansiyel sınırlamaları rağmen alternatif interfacial olayları keşfetmek için potansiyel sunan, sonuçta empedans mekanizmaları ortaya çıkararak yeni malzeme sistemleri için teknik uygulanır. Bu teknik için doğal bir takip elektrokimyasal TEM içinde bisiklet gözlem olduğunu. Bu üzerinde gerçekleştirilen sistem bu protokol için açıklanan ve bu arabirimler, daha önce görülmemiş davranış ortaya çıkardı. Bu teknik empedans diğer formlarını gözlenmesi sağlayacaktır.

Kirişler (yalan) esas transmisyon elektron mikroskobu (TEM) numune hazırlama ve1,2düzenleme devre için kullanılmış olan iyon duruldu. FIB kullanarak Nanofabrication son yirmi kadar odaklanmış durumdayken yarı iletken malzemeler3sırasında önemli ölçüde ilerlemiştir. Bilimsel gelişmeler için önemini rağmen FIB teknikleri ile büyük endişeleri kalır, yüzey hasarı, yeniden ifade ve tercihli nedeniyle yüksek akım yoğunluğu4,5SAÇTIRMA dahil. TEM numunelerin hazırlanması sırasında FIB zararlı hacim materyalleri üzerinde çeşitli makaleleri olmuştur ve bu zarar azaltmak için çeşitli yöntemler önerilen6,7,8,9olmuştur. Ancak, farklı işlevler ile çoklu katmanlar oluşur etkin cihazlar imalatı FIB hala sınırlıdır.
Enerji depolama alanında özellikle katı hal cihazlar için arayüzleri çok önemli bir rol oynamaktadır ve katı-katı arabirimi genellikle empedans10baskın kaynağı olarak görülür. Bu arabirimler, bir birleşimi kendi gömülü doğa ve huzurunda birden çok arabirim içinde a tek aygıt veri evrişim karakterize etmek özellikle zor. Tam katı hal nanobatteries imalatı yoklama ve sonuçta etkisi elektrokimyasal piller işlemlerde bu arabirimlerin dinamik doğasını anlamak çok önemlidir. İnce film Pil Lityum fosfor oxynitride (LiPON) göre fazla iki yıl önce gösterdi ve şu anda ticari11. İnce film bataryadan mamüllerinin active nanobatteries imalatı FIB arabirimleri, elektrokimyasal aktivite nedeniyle korumak için yalan başarısız kullanarak nanobatteries imal etmek çoğu girişimleri in situ değerlendirilmesi etkinleştirmek için kritik olmasına rağmen 12kısa devre. İlk girişimleri in situ Bisiklete binme lityum dağıtım elektron Holografi13tarafından gözlemlemek için nanobattery, sadece küçük bir bölümünü inceltilerek.
Daha yeni iş ex situ ve in situ iletim elektron mikroskobu (kök) ve elektron enerji kaybı spektroskopisi (tarama etkin mamüllerinin active nanobatteries başarılı FIB imalatı göstermiştir EELS) interfacial fenomen14,15karakterizasyonu. Elektrokimyasal aktivite korumak için yardımcı önemli yalan uydurma parametreleri Santhanagopalan ve ark. tarafından belirtilen 14ve detaylı bir protokol bu makale sundu. Bu yordamı modeli LiCoO2/LiPON/a-Si pilden dayanır, ancak sonuçta daha fazla ince film pili kimyaları keşfi sağlayacaktır.

<table><tbody><tr><td>Biologic SP-200 Potentiostat</td><td>Biologic Science Instruments</td><td>SP-200</td><td>Ultra Low Current&amp;nbsp; Option needed for pA current resolution</td></tr><tr><td>FEI Scios DualBeam FIB/SEM</td><td>FEI</td><td></td><td>Current noise improves with a shielded stage feedthrough</td></tr><tr><td>SEM Stub: Large &amp;Oslash;25.4mm x 9.5mm pin height</td><td>Ted Pella</td><td>16144</td><td>Or equivalent</td></tr><tr><td>PELCO Colloidal Silver Paste, Conductive</td><td>Ted Pella, Inc.</td><td>16032</td><td>Or equivalent</td></tr><tr><td>PELCO&amp;reg;&amp;nbsp;FIB Lift-Out TEM Grids</td><td>Ted Pella</td><td>10GC04</td><td>Or equivalent</td></tr></tbody></table>

focused ion beam fabrication of lipon-based solid-state lithium-ion nanobatteries for in situ testing

Katı hal elektrolit daha yüksek enerji yoğunluğu ve lityum-iyon (Li-on) pil geliştirilmiş güvenliği etkinleştirme geçerli organik sıvı elektrolit için umut verici bir yedek vardır. Ancak, bir dizi aksiliklere kendi entegrasyon ticari cihazlar içine önlemek. Nano olayları akü işlemi düşmesine sonuçta lider elektrot/elektrolit arabirimleri, meydana gelen ana sınırlayıcı bir faktör kaynaklanmaktadır. Bu temel sorunları gözlemlemek ve bu piller birden çok gömülü arabirimi olarak karakterize son derece zor olan. İnce film pil interfacial olayların doğrudan gözlem için bir yaklaşım odaklı iyon demeti (yalan) tarafından mamüllerinin active nanobatteries imalatı geçer. Bu nedenle, nanobatteries imal etmek güvenilir bir teknik geliştirilmiş ve son çalışmalarında gösterdi. Burada, bu nanobattery imalat süreci çoğaltılması etkinleştirmek için adım adım süreci ile detaylı bir protokol sundu. Özellikle, bu teknik LiCoO2/LiPON/a-Si oluşan bir ince film pil uygulandı ve daha fazla daha önce in situ iletim elektron mikroskop içinde Bisiklete binme tarafından kanıtlanmıştır.

Bir temsilci katı hal Li-iyon nanobattery imalat süreci rakamlar 1-7 başvuran protokolünde adım adım gösterilmektedir.
Şekil 8 in situ fabrikasyon iki hücre elektrokimyasal şarj profilleri test gösterir. Her iki profilleri LiCoO2-Si tam hücre kimya ve oksidasyon Co3 + → Co4 +için karşılık gelen bir 3,6 V Plato açıkça gösteriyor. Hücre-1 (şekil 8bir) 12.5 µAh/cm2şarj kapasitesi sınırlı bir daha düşük akım yoğunluğu (50 µA/cm2) adlı test edildi. Hücre-2 (şekil 8b) daha yüksek bir akım yoğunluğu, 4,2 V üst kesme gerilim tarafından sınırlı 1,25 mA/cm2, , şarj profil sunuyor. Kaydedilen kapasitesi yaklaşık 105 µAh/cm2, hücre-2 (110-120 µAh/cm2) teorik kapasite yakın oldu. Sonraki döngüsü kapasiteleri (şarj ve deşarj) ilk döngüsü irreversibility nedeniyle sınırlı iken nanobatteries ilk deşarj kapasitesini zavallı olmuştur. Nanobatteries deşarj süreci hala en iyi, ancak, bir akım yoğunluğu 60 µA/cm2 temsilcisi şarj-deşarj profilde Şekil 9' da sunulmuştur. Şarj kapasitesi 30 dk sınırlıydı ve akıntı 2 V sınırlı ve bu reversibility % 35 olduğu açıktır. Daha fazla reversibility edebiyat14' te bildirilen daha çok daha iyi olsa da, optimizasyon gereklidir.
Gerilim profil ince ince tabaka pil kimya ile tutarlı değilse, bu her iki kiriş zarar nedeniyle büyük olasılıkla ya da yeniden yatırılan malzemesinden kısaltma var. Şekil 10 bir gerilim profili voltajı sabit ve orantılı uygulanan geçerli nerede kısa devre ile tutarlı gösterir. İyon-kiriş görüntü kenarı boyunca yeniden bırakılmış materyalin olduğunu doğrular. Micromanipulator kaldırılması ve daha fazla kesitsel temizleme adımları bu malzeme çıkarmak için ihtiyaç vardır. Akım yoğunluğu buna göre düzeltilmesi gerektiğini bu yüzden temizlik bu yordamı nanobattery kesiti azalır.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig1.jpg"> Resim 1 : Elektrik bağlantısı şematik. Bir potansiyostat yalan nanobattery dış bağlantı üzerinden bağlı: 1)'den micromanipulator iğne; bağlantısı kesilen yer potansiyostat eksi terminali 2) elektrikle korumalı bir vakum feedthrough veya doğrudan bir bağlantı (gösterilen) bir dokunmatik alarm devre gibi sahne yere katot tarafı. İç bağlantıları arasında micromanipulator ucu ve anot ve katot ve bakır TEM Asansör-out kılavuz aşamasında arasında yapılır. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig2.jpg"> Resim 2 : Pt ifade. SEM görüntü hasar ve verme iletişim. önlemek için ince film pil yüzeyinde biriken Pt koruyucu kapak <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig3.jpg"> Şekil 3 : Nanobattery kesit. Kesitsel kesme (a) 52 ° kesit görünümü ve (b) ve 0 ° üstten görünüm. sonra nanobattery lamel SEM görüntüleri <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig4.jpg"> Şekil 4 : Nanobattery kaldırma. (A) altında kesim ve (b) ile lamel iyon-ışını görüntüleri Asansör-yalıtılmış nanobattery micromanipulator. tarafından out <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig5.jpg"> Şekil 5 : Nanobattery montaj. (a) bakır TEM kılavuza kaldırdı nanobattery kaynak iyon-kiriş ve (b) SEM görüntü. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig6.jpg"> Şekil 6 : Nanobattery temizlik. İyon-ışını görüntülerini nanobattery kesitler, elektrikle Pt biriktirme, anot TEM kılavuz ve (d) temizlik yalıtmak için kesmek (c) tarafından ızgara ve katot geçerli Toplayıcı bağlanma (b) birini temizlik (a) ön, arka ve yan tüm yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için kesiti. Son göze. kutuplama için micromanipulator kullanarak anot için geldim <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig7.jpg"> Şekil 7 : Nanobattery hasar. Nanobattery kesit (a) hasarsız ile SEM görüntüleri LiPON katman ve (b) görüntüleme yüksek büyütmede indüklenen zarar daire. ile belirtilen LiPON katmanında Yüksek zaman elektron ışını üreten LiPON elektrolit görünür değişiklikleri görüntüleme yaşamak. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig7large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig8.jpg"> Şekil 8 : Veri şarj Nanobattery. Fabrikasyon beyaz yalan nanobattery elektrokimyasal şarj profil farklı akım yoğunluğu (a) ile 12,5 µAh/cm2 ve gerilim bir 4,2 V kesme sınırlı (b) sınırlı kapasite. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig8large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a> 
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig9.jpg"> Şekil 9 : Nanobattery Bisiklete binme profil. YALAN nanobattery elektrokimyasal şarj ve bir akım yoğunluğu 60 µA/cm2, kalkış profilleri fabrikasyon. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig9large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig10.jpg"> Şekil 10 : Kısa devre nanobattery. (a) gerilim profili değil olmuştu bir nanobattery, düzgün olarak yeniden bırakılmış materyalin ve (b) çapraz kesit iyon-ışın görüntü kısa devre içinde kaynaklanan temizledim. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig10large.jpg" target="_blank">Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing at JoVE.com

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Bir odaklı iyon ışını kullanarak mamüllerinin active LiPON tabanlı katı hal lityum nanobatteries imalatı için bir protokol sunulmuştur.

LiPON tabanlı katı hal lityum-iyon Nanobatteries in Situ test etmek için odaklı iyon kiriş imalatı

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

focused-ion-beam-fabrication-lipon-based-solid-state-lithium-ion

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

10.1K Görüntüleme.  University of California San Diego. Bir odaklı iyon ışını kullanarak mamüllerinin active LiPON tabanlı katı hal lityum nanobatteries imalatı için bir protokol sunulmuştur.

Video: Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

İnşaat ve Lityum İyon pillerin Coin Hücre Testi

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Mühendislik

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Sinkrotron Radyasyon Teknikleri Kullanarak Lityum İyon ve Sodyum iyon piller için elektrot Malzemelerin Karakterizasyonu

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

Yerinde Nötron Toz Kırınım olarak Ismarlama Lityum-iyon Piller kullanma

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

Lityum-ion Coin Hücrelerinin Susuz Elektrot İşleme ve İnşaat

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion batteries for use in devices operating at elevated temperatures require thermally stable and non-flammable electrolytes. Ionic liquids (ILs), which are non-flammable, non-volatile, thermally stable molten salts, are an ideal replacement for flammable and low boiling point organic solvent electrolytes currently used today. We herein describe the procedures to: 1) synthesize mono- and di-phosphonium ionic liquids paired with chloride or bis(trifluoromethane)sulfonimide (TFSI) anions; 2) measure the thermal properties and stability of these ionic liquids by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA); 3) measure the electrochemical properties of the ionic liquids by cyclic voltammetry (CV); 4) prepare electrolytes containing lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide; 5) measure the conductivity of the electrolytes as a function of temperature; 6) assemble a coin cell battery with two of the electrolytes along with a Li metal anode and LiCoO2 cathode; and 7) evaluate battery performance at 100 &#176;C. We additionally describe the challenges in execution as well as the insights gained from performing these experiments.

Here, we describe protocols to prepare phosphonium-based ionic liquid and lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide salt electrolytes, and assemble a non-flammable and high temperature functioning lithium-ion coin cell battery.

İyonik Sıvı Bazlı Elektrolitlerin Sentezi Li-ion Piller, Meclis ve Yüksek Sıcaklığında Performans Ölçümleri

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

İn Situ Lithiated referans elektrot: Dört elektrot tasarım operando empedans spektroskopisi için

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

Kimya

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

Üç elektrot madeni para hücre hazırlık ve Electrodeposition analiz için lityum-iyon pil

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between two graphene sheets, and the facile synthesis of one-dimensional nanostructures using electrospinning. The GLC enables in situ transmission electron microscopy (TEM) for the lithiation dynamics of electrode materials. The in situ GLC-TEM using an electron beam for both imaging and lithiation can utilize not only realistic battery electrolytes, but also the high-resolution imaging of various morphological, phase, and interfacial transitions.

Here, we present a protocol for the fabrication and preparation of a graphene liquid cell for in situ transmission electron microscopy observation, along with a synthesis of electrode materials and electrochemical battery cell tests.

Lityum-iyon pil malzeme gözlenmesi için Graphene sıvı hücreleri hazırlanması

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between ...

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar energy and fuel generation, and electrochemical energy storage. Nanoscale characterization of such interfaces has recently been achieved using cryogenic electron microscopy, thereby providing a new path to advancing our fundamental understanding of interface processes.
This contribution provides a practical guide to mapping the structure and chemistry of solid-liquid interfaces in materials and devices using an integrated cryogenic electron microscopy approach. In this approach, we pair cryogenic sample preparation which allows stabilization of solid-liquid interfaces with cryogenic focused ion beam (cryo-FIB) milling to create cross-sections through these complex buried structures. Cryogenic scanning electron microscopy (cryo-SEM) techniques performed in a dual-beam FIB/SEM enable direct imaging as well as chemical mapping at the nanoscale. We discuss practical challenges, strategies to overcome them, as well as protocols for obtaining optimal results. While we focus in our discussion on interfaces in energy storage devices, the methods outlined are broadly applicable to a range of fields where solid-liquid interface play a key role.

Cryogenic Focused Ion Beam (FIB) and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques can provide key insights into the chemistry and morphology of intact solid-liquid interfaces. Methods for preparing high quality Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopic maps of such interfaces are detailed, with a focus on energy storage devices.

Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

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

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 all-solid-state batteries (ASSBs) that use solid electrolytes instead of liquid electrolytes, which reduce the risk of flammability, have been the center stage of battery research for the last few years. However, in the ASSB, the ion transportation through the solid-solid electrolyte-electrode interface poses a challenge due to contact and chemical/electrochemical stability issues. Applying a suitable coating around the electrode and/or electrolyte particles offers a convenient solution, leading to better performance. For this, researchers are screening potential electronic/ionic conductive and nonconductive coatings to find the best coatings with suitable thickness for long-term chemical, electrochemical, and mechanical stability. Operando transmission electron microscopy (TEM) couples high spatial resolution with high temporal resolution to allow visualization of dynamic processes, and thus is an ideal tool to evaluate electrode/electrolyte coatings via studying (de)lithiation at a single particle level in real-time. However, the accumulated electron dose during a typical high-resolution in situ work may affect the electrochemical pathways, evaluation of which can be time-consuming. The current protocol presents an alternative procedure in which the potential coatings are applied on Si nanoparticles and are subjected to (de)lithiation during operando TEM experiments. The high volume changes of Si nanoparticles during (de)lithiation allow monitoring of the coating behavior at a relatively low magnification. Thus, the whole process is very electron-dose efficient and offers quick screening of potential coatings.

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

Utilizing the volume change of Si nanoparticles during (de)lithiation, the present protocol describes a screening method of potential coatings for all-solid-state batteries using in situ transmission electron microscopy.