應用分享 | 全固態電池截面的原位 FIB 加工和分析

鋰離子電池具有自放電小、開路電壓高、能量密度大、循環壽命長等優點，自問世以來就備受關注。但是，鋰離子電池采用含有機溶劑的液體電解質，存在不容忽視的安全隱患。 對此，全固態電池（ABBS）應運而生，因其電解質在內的所有組件都是固態的，在安全性和熱穩定性上有著明顯優勢，已然成為新能源、儲能技術、材料科學等領域的研究熱點。然而，電極與固體電解質之間的界面存在著來源尚不明確的電阻，成為影響 ABBS 實際應用的較大障礙之一。因此，利用有效的表面分析技術研究 SE/陰極界面的相互作用，對提高全固態電池的性能至關必要。

飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）是電池材料界面表征有效的方法之一，不只能夠以較高靈敏度檢測所有組分（包括元素和分子結構），還能憑借高空間分辨進行微區成像，直觀地展示不同組分在表/界面的分布情況。這為揭示造成全固態電池低離子電導率的原因，以及解決電解質制造、固-固界面優化這兩個重要問題具有重要的指導作用。

應用案例

PHI nanoTOF 有的 Bi 離子源不只擔當著初級脈沖離子源的角色，還具備聚焦離子束（FIB）功能。當液態金屬離子設備開啟 FIB 模式時，他可以直接對固體樣品進行切割加工。對于多層結構的全固態電池樣品，傳統的逐層深度剖析方法會遇到耗時過長的挑戰。這是因為當分析深度達到微米級別時，逐層剝離進行深度分析，每一層都需要單獨的剝離和測量，   這極大增加了整個分析過程的時間。然而，PHI nanoTOF 的 Bi-FIB 功能可以直接對固體樣品進行切割加工，極大縮短了樣品制備的時間，在電池材料表界面分析中展現了明顯的效率和便捷性。

以圖 1 所示的多層結構全固態電池樣品為例，PHI nanoTOF 的 Bi-FIB 功能只用~8.3 min 就可以完成橫截面的精細加工。更重要的是，這種高效的樣品制備過程與隨后的 TOF-SIMS 表征無縫銜接，TOF-SIMS 對截面的分析過程只用時~4.3 min（30 frames）。從樣品界面制備到表征整個流程，都是在 TOF-SIMS 設備內完成，而且全程總耗時只~13 分鐘，這是傳統方法無法比較的速度。這一高效且便捷的流程使得研究人員能夠快速的揭示電池樣品“由表及里"的微觀特征。

圖 1. ASSB 結構（左）以及 FIB-TOF 工作（右）的示意圖

FIB-TOF 揭示了全固態電池埋層界面的化學物種。結果表明，在固體電解質/陰極的 FIB橫截面處 Li3O+的存在（見圖 2），這可能是由于在 LiPON 的沉積過程中誘導 LiCoO2 的分解，導致 Li3O+的產生以及 Co 的還原。為進一步驗證這一結果，對該電池截面做了詳盡的線性分析，再次證實了 Li3O+的存在，且 Li3O+的濃度在深度方向存在明顯差異。

圖 2. 固態電解質/陰極 FIB 橫截面的 TOF-SIMS 表征

PHI nanoTOF 通過 FIB-TOF 實現了對全固態電池表/界面的快速表征，這不只揭示了固- 固界面微觀變化的根本機制，還為降低界面電阻的策略提供了重要的指導。此外，該技術對   表/界面微觀過程的全方面表征將有助于擴大全固態電池的應用潛力，并為完善高性能全固態電池的制造工藝、降低成本、批量化生產等提供獨到的見解。展望未來，PHI nanoTOF 將與廣大的科研學者攜手并進，共同推動新能源產業的大力發展。