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電解質的失效機制，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展方向，而固態電解質（SE）則是固態電池中的核心部件。Li10GeP2S12固態電解質 （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。很高的離子電導率使得LGPS成為電動汽車儲能系統中有力的候選電解質，然而LGPS對鋰金屬的熱力學不穩定性又很大限制了其廣泛應用。同時硫化物電解質對空氣極為敏感，目前大部分表征難以避免短暫的空氣接觸，導致結果失真。為了實現實時動態觀測LGPS電解質對鋰金屬的失效過程，澤攸科技及黃老師團隊共同研發了FIB-TEM-手套箱真空/惰性氣體保護轉移系統，并在FIB/SEM中構建了原位固態電池系統，使得硫化物電解質的原位結果真實可靠。

圖2 真空/惰性氣體保護轉移系統

      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電解質Li10GeP2S12（LGPS）從手套箱中無損轉移到TEM及FIB中進行樣品表征和原位實驗。首先利用FIB真空轉移系統（PicoFemto? FN01-ST-T）將樣品轉移到FIB中，隨后納米探針臺對樣品進行通電實驗。隨著Li-LGPS-In微米全固態電池的運行，LGPS固態電解質逐漸失效開裂直到完全粉化。通過大量的原位實驗，研究者驚喜的發現降低固態電解質尺寸將有效降低固態電解質的粉化失效。為了對這種尺寸效應進一步分析，研究者將固態電解質利用澤攸科技真空轉移樣品桿（PicoFemto? ZT-FD-01）轉移到透射電鏡中，可以得到硫化物電解質反應前后物相的進一步分析。實驗結果表明硫化物固態電解質與金屬鋰的電化學反應是導致電解質開裂的主要原因，尺寸效應是由于鋰金屬與LGPS反應過程中產生的彈性能釋放與顆粒破碎產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電解質的粉化。這一結論為全固態電池的設計提供了新的尺寸篩選途徑。

圖3 實驗裝置圖，LGPS電解質失效過程及反應產物

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