NanoLetters:燕山大学黄建宇教授利用冷冻传输及原位FIB技术研究锂电池失效机制


发布时间:

2022-01-07

FIB/SEM双束电镜广泛应用于材料样品的制备,不论是神奇的纳米剪纸还是测试力学的纳米微柱都离不开FIB的精密加工。

FIB/SEM双束电镜广泛应用于材料样品的制备,不论是神奇的纳米剪纸还是测试力学的纳米微柱都离不开FIB的精密加工。但是目前利用FIB进行原位研究的工作还少有报道。近日,泽攸科技助力燕山大学黄建宇教授团队利用原位FIB/SEM技术解析硫化物固态电解质的失效机制,该研究成果以“Size dependent chemomechanical failure of sulfide solid electrolyte particles during electrochemical reaction with lithium”为题发表在国际知名学术期刊Nano Letters上。燕山大学黄建宇教授、张利强教授、唐永福教授及韩国蔚山国立科学与技术研究院丁峰教授为本文共同通讯作者,燕山大学材料学院博士研究生赵珺和韩国蔚山国立科学与技术研究院博士研究生赵超为本文共同第一作者。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04076

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图1 实验方法

固态电池(SSB)被认为是高能量密度、高安全性可充放储能装置未来的发展方向,而固态电解质(SE)则是固态电池中的核心部件。Li10GeP2S12固态电解质 (LGPS)具有极高的离子电导率,达到12 mS/cm,甚至高于目前商用锂离子电池中使用的有机液体电解质。超高的离子电导率使得LGPS成为电动汽车储能系统中有力的候选电解质,然而LGPS对锂金属的热力学不稳定性又极大限制了其广泛应用。同时硫化物电解质对空气极为敏感,目前大部分表征难以避免短暂的空气接触,导致结果失真。为了实现实时动态观测LGPS电解质对锂金属的失效过程,泽攸科技及黄老师团队共同研发了FIB-TEM-手套箱真空/惰性气体保护转移系统,并在FIB/SEM中构建了原位固态电池系统,使得硫化物电解质的原位结果真实可靠。

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图2 真空/惰性气体保护转移系统

该实验应用泽攸科技电池材料解决方案将空气敏感的锂金属及硫化物固态电解质Li10GeP2S12(LGPS)从手套箱中无损转移到TEM及FIB中进行样品表征和原位实验。首先利用FIB真空转移系统(PicoFemto® FN01-ST-T)将样品转移到FIB中,随后纳米探针台对样品进行通电实验。随着Li-LGPS-In微米全固态电池的运行,LGPS固态电解质逐渐失效开裂直到完全粉化。通过大量的原位实验,研究者惊喜的发现降低固态电解质尺寸将有效降低固态电解质的粉化失效。为了对这种尺寸效应进一步分析,研究者将固态电解质利用泽攸科技真空转移样品杆(PicoFemto® ZT-FD-01)转移到透射电镜中,可以得到硫化物电解质反应前后物相的进一步分析。实验结果表明硫化物固态电解质与金属锂的电化学反应是导致电解质开裂的主要原因,尺寸效应是由于锂金属与LGPS反应过程中产生的弹性能释放与颗粒破碎产生的表面能和其他形式的能量之间的平衡所致。利用这种尺寸效应可以减轻LGPS电解质的化学-机械失效,即将LGPS的粒径减小到1微米以下,可以有效避免LGPS电解质的粉化。这一结论为全固态电池的设计提供了新的尺寸筛选途径。  

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图3 实验装置图,LGPS电解质失效过程及反应产物  

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图4 LGPS颗粒在与锂金属反应过程中的尺寸效应

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图5 空气敏感材料LGPS反应前后的物相分析