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 FIB/SEM雙束電鏡廣泛應(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)是導(dǎo)致電解質(zhì)開裂的主要原因，尺寸效應(yīng)是由于鋰金屬與LGPS反應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)產(chǎn)物

圖4 LGPS顆粒在與鋰金屬反應(yīng)過程中的尺寸效應(yīng)

圖5 空氣敏感材料LGPS反應(yīng)前后的物相分析