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

Mahander Pratap Singh, Eric Woods+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2023

Advanced Materials Characterization Techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在聚焦离子束（FIB）制备过程中原位镀铬（Cr）涂层的技术，以防止在原子探针透射电镜（APT）分析中，NMC811正极材料因电场诱导而发生脱锂。该方法保留了锂的分布，提升了数据质量，并实现了对阳离子波动（包括完整的LiMnO颗粒）的系统性纳米尺度分析，统计可靠性更高。

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.

研究动机与目标

• 解决在锂离子电池正极材料APT分析过程中，因电场诱导导致的脱锂这一关键挑战。
• 实现对NMC811材料中锂和阳离子分布的可靠、高保真度三维纳米尺度映射。
• 开发一种简单、低成本且可扩展的方法，用于系统性APT研究的电池材料制备。
• 提升数据质量，并减少在敏感电池材料APT分析中过早的样品失效。

提出的方法

• 在NMC811样品的聚焦离子束（FIB）制备过程中，原位施加一层薄铬（Cr）涂层。
• 利用FIB同时完成APT针尖的制备和在表面沉积保护性Cr层。
• 利用Cr涂层的高功函数抑制电场诱导的离子发射，防止锂的脱嵌。
• 对Cr涂层样品进行APT分析，以评估锂的分布和显微结构特征。
• 比较Cr涂层与未涂层NMC811样品的数据质量与统计可靠性。
• 采用先进数据分析技术，识别重构的三维图中阳离子波动与相不均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原位Cr涂层是否能有效抑制NMC811正极材料在APT分析中的电场诱导脱锂？
• RQ2 Cr涂层如何提升APT中的数据质量并减少样品过早失效？
• RQ3 通过Cr涂层APT方法，能够揭示关于阳离子分布与相不均匀性的哪些新见解？
• RQ4 该方法在锂元素映射中的统计可靠性和准确性方面，提升了多少？
• RQ5 Cr涂层方法是否具有可扩展性，并适用于其他电池负极与正极材料？

主要发现

• 原位Cr涂层在NMC811的APT分析中成功防止了电场诱导的脱锂，保留了锂的本征分布。
• Cr涂层样品表现出显著提升的数据质量，并基本消除了过早的样品失效。
• 该方法通过延长数据采集时间，实现了对锂的精确测量，并显著提高了统计可靠性。
• 重构的三维图揭示了显著的阳离子波动，包括此前因脱锂而被掩盖的完整LiMnO颗粒。
• Cr涂层技术简单、成本低，适用于正极和负极材料的系统性APT研究。
• 该方法在实现各种成分电池材料的可靠纳米尺度表征方面展现出巨大潜力。