FIB/SEM雙束電鏡廣泛應用于材料樣品的制備，不論是神奇的納米剪紙還是測試力學的納米微柱都離不開FIB的加工。但是目前利用FIB進行原位研究的工作還少有報道。近日，澤攸科技助力燕山大學黃建宇教授團隊利用原位FIB/SEM技術解析硫化物固態(tài)電解質(zhì)的失效機制，該研究成果以“Size dependent chemomechanical failure of sulfide solid electrolyte particles during electrochemical reaction with lithium”為題發(fā)表在國際知名學術期刊Nano Letters上。燕山大學黃建宇教授、張利強教授、唐永福教授及韓國蔚山國立科學與技術研究院丁峰教授為本文共同通訊作者，燕山大學材料學院博士研究生趙珺和韓國蔚山國立科學與技術研究院博士研究生趙超為本文共同D一作者。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04076

圖1 實驗方法

      固態(tài)電池（SSB）被認為是高能量密度、高安全性可充放儲能裝置未來的發(fā)展方向，而固態(tài)電解質(zhì)（SE）則是固態(tài)電池中的核心部件。Li10GeP2S12固態(tài)電解質(zhì) （LGPS）具有很高的離子電導率，達到12 mS/cm，甚至高于目前商用鋰離子電池中使用的有機液體電解質(zhì)。很高的離子電導率使得LGPS成為電動汽車儲能系統(tǒng)中有力的候選電解質(zhì)，然而LGPS對鋰金屬的熱力學不穩(wěn)定性又很大限制了其廣泛應用。同時硫化物電解質(zhì)對空氣極為敏感，目前大部分表征難以避免短暫的空氣接觸，導致結(jié)果失真。為了實現(xiàn)實時動態(tài)觀測LGPS電解質(zhì)對鋰金屬的失效過程，澤攸科技及黃老師團隊共同研發(fā)了FIB-TEM-手套箱真空/惰性氣體保護轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，并在FIB/SEM中構(gòu)建了原位固態(tài)電池系統(tǒng)，使得硫化物電解質(zhì)的原位結(jié)果真實可靠。

圖2 真空/惰性氣體保護轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

      該實驗應用澤攸科技電池材料解決方案將空氣敏感的鋰金屬及硫化物固態(tài)電解質(zhì)Li10GeP2S12（LGPS）從手套箱中無損轉(zhuǎn)移到TEM及FIB中進行樣品表征和原位實驗。首先利用FIB真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（PicoFemto? FN01-ST-T）將樣品轉(zhuǎn)移到FIB中，隨后納米探針臺對樣品進行通電實驗。隨著Li-LGPS-In微米全固態(tài)電池的運行，LGPS固態(tài)電解質(zhì)逐漸失效開裂直到完全粉化。通過大量的原位實驗，研究者驚喜的發(fā)現(xiàn)降低固態(tài)電解質(zhì)尺寸將有效降低固態(tài)電解質(zhì)的粉化失效。為了對這種尺寸效應進一步分析，研究者將固態(tài)電解質(zhì)利用澤攸科技真空轉(zhuǎn)移樣品桿（PicoFemto? ZT-FD-01）轉(zhuǎn)移到透射電鏡中，可以得到硫化物電解質(zhì)反應前后物相的進一步分析。實驗結(jié)果表明硫化物固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰的電化學反應是導致電解質(zhì)開裂的主要原因，尺寸效應是由于鋰金屬與LGPS反應過程中產(chǎn)生的彈性能釋放與顆粒破碎產(chǎn)生的表面能和其他形式的能量之間的平衡所致。利用這種尺寸效應可以減輕LGPS電解質(zhì)的化學-機械失效，即將LGPS的粒徑減小到1微米以下，可以有效避免LGPS電解質(zhì)的粉化。這一結(jié)論為全固態(tài)電池的設計提供了新的尺寸篩選途徑。

圖3 實驗裝置圖，LGPS電解質(zhì)失效過程及反應產(chǎn)物

圖4 LGPS顆粒在與鋰金屬反應過程中的尺寸效應

圖5 空氣敏感材料LGPS反應前后的物相分析