[논문 리뷰] Facilitating the systematic nanoscale study of battery materials by atom probe tomography through in-situ metal coating

Mahander Pratap Singh, Eric Woods외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 14.

Advanced Materials Characterization Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 원자 프로브 탄소화법(APT) 동안 NMC811 정극 재료에서 전기장 유도 탈리튬화를 방지하기 위해 집중 이온 비임(FeI) 준비 중 현장에서 Cr 코팅을 도입하는 기술을 제안한다. 이 방법은 리튬 분포를 유지하고 데이터 품질을 향상시키며, 완전한 LiMnO 입자 포함한 카이온 불균일성의 체계적인 나노스케일 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Through its capability for 3D mapping of Li at the nanoscale, atom probe tomography (APT) is poised to play a key role in understanding the microstructural degradation of lithium-ion batteries (LIB) during successive charge and discharge cycles. However, APT application to materials for LIB is plagued by the field induced delithiation (deintercalation) of Li-ions during the analysis itself that prevents the precise assessment of the Li distribution. Here, we showcase how a thin Cr-coating, in-situ formed on APT specimens of NMC811 in the focused-ion beam (FIB), preserves the sample's integrity and circumvent this deleterious delithiation. Cr-coated specimens demonstrated remarkable improvements in data quality and virtually eliminated premature specimen failures, allowing for more precise measurements via. improved statistics. Through improved data analysis, we reveal substantial cation fluctuations in commercial grade NMC811, including complete grains of LiMnO. The current methodology stands out for its simplicity and cost-effectiveness and is a viable approach to prepare battery cathodes and anodes for systematic APT studies.

연구 동기 및 목표

• 리튬 이온 배터리 정극 재료의 APT 분석 중 전기장 유도 탈리튬화 문제를 해결하기 위해.
• NMC811 재료에서 리튬 및 카이온 분포의 신뢰성 있고 고정밀도 3차원 나노스케일 매핑을 가능하게 하기 위해.
• 체계적인 APT 연구를 위한 배터리 재료 준비를 위한 단순하고 비용 효율적이며 확장 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 민감한 배터리 재료의 APT 분석 중 데이터 품질을 향상시키고 조기 시편 고장을 감소시키기 위해.

제안 방법

• NMC811 시편의 집중 이온 비임(FIB) 준비 중 현장에서 얇은 크로뮴(Cr) 코팅을 도포하기.
• FIB를 사용해 APT의 시편 끝을 준비하면서 동시에 표면에 보호용 Cr 층을 동시에 증착하기.
• Cr 코팅의 높은 일함수를 활용해 전기장 유도 이온 방출을 억제하고 리튬 탈탈리움을 방지하기.
• Cr 코팅된 시편을 대상으로 APT 분석을 수행해 리튬 분포와 미세구조적 특징 평가하기.
• Cr 코팅된 시편과 코팅되지 않은 NMC811 시편 간의 데이터 품질과 통계적 신뢰도 비교하기.
• 재구성된 3차원 맵에서 카이온 불균일성과 상의 비균질성을 식별하기 위해 고급 데이터 분석 기법 활용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현장에서 Cr 코팅이 NMC811 정극 재료의 APT 분석 중 전기장 유도 탈리튬화를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 Cr 코팅은 APT 분석에서 데이터 품질을 향상시키고 조기 시편 고장을 어떻게 감소시키는가?
• RQ3 Cr 코팅된 APT 방법을 통해 카이온 분포와 상의 비균질성에 대한 어떤 통찰을 얻을 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 리튬 매핑의 통계적 신뢰도와 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 Cr 코팅 방법은 다른 배터리 음극 및 양극 재료에 대해서도 확장 가능하고 적용 가능한가?

주요 결과

• 현장에서 Cr 코팅이 NMC811의 APT 분석 중 전기장 유도 탈리튬화를 성공적으로 방지하여 천연 리튬 분포를 유지했다.
• Cr 코팅 시편은 데이터 품질이 크게 향상되었고, 거의 모든 조기 시편 고장을 제거했다.
• 더 긴 데이터 수집 시간 덕분에 리튬 측정이 정밀해지고 통계적 신뢰도가 향상되었다.
• 재구성된 3차원 맵에서 LiMnO 완전한 입자 포함한 상당한 카이온 불균일성이 드러났으며, 이는 이전에 탈리튬화로 인해 가려졌던 바이다.
• Cr 코팅 기술은 단순하고 비용 효율적이며, 정극 및 음극 재료에 대한 체계적인 APT 연구에 적용 가능하다.
• 이 방법은 다양한 조성의 배터리 재료에 대한 신뢰할 수 있는 나노스케일 특성 분석 가능성을 높게 보여준다.