[發(fā)明專(zhuān)利]一種應(yīng)用于透射電鏡下原位樣品桿研究電池材料的雙傾TIP端

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111133389.3
• 申請(qǐng)日: 2021-09-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113758949A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 章煒;周峒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南開(kāi)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N23/04
• 分類(lèi)號(hào): G01N23/04;G01N23/20025
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 張耀

一種應(yīng)用于透射電鏡下原位樣品桿研究電池材料的雙傾TIP端，屬于材料研究和電子顯微鏡領(lǐng)域。包括電學(xué)雙傾TIP端、雙傾驅(qū)動(dòng)桿體，該電學(xué)雙傾TIP端安裝在雙傾驅(qū)動(dòng)桿體上。該電學(xué)桿雙傾TIP端可以將電信號(hào)和液體同時(shí)引入透射電鏡中，在電場(chǎng)和液體環(huán)境下還原真實(shí)的電池充放電環(huán)境以及所經(jīng)歷的各種電化學(xué)循環(huán)反應(yīng)。并通過(guò)控制厚度≤10nm的電解液，搭配可以在兩個(gè)自由度上傾轉(zhuǎn)樣品的雙傾功能，確保在不降低像差校正電鏡高分辨率的情況下，針對(duì)特定顆粒的特定晶面取向進(jìn)行精細(xì)的原位結(jié)構(gòu)表征。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料研究和電子顯微鏡領(lǐng)域。涉及一種應(yīng)用于透射電鏡下原位樣品桿進(jìn)行電池材料研究的雙傾TIP端設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可以將電信號(hào)和液體同時(shí)引入透射電鏡中，實(shí)現(xiàn)納米尺度下材料在電場(chǎng)和液體環(huán)境工況下循環(huán)充放電的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理。

背景技術(shù)

鋰離子電池已被應(yīng)用于日常生活的各個(gè)方面，如消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)等。但是，現(xiàn)有的商用鋰離子電池在能量密度等關(guān)鍵指標(biāo)方面尚不能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能電站等迅速發(fā)展的需求。因而，亟需開(kāi)發(fā)具有更高能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更高的安全性能的電池。其中，將正極材料充電至高電位，是大幅度提高電池能量密度的有效方式之一。但是，高電壓將促使材料經(jīng)歷由表及里的高度脫鋰，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、電極材料與電解液的副反應(yīng)加劇，從而誘發(fā)電池失效和安全問(wèn)題，阻礙其應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)大。因此探究電極材料的離子輸運(yùn)過(guò)程以及失效機(jī)理，對(duì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等副反應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化與改進(jìn)，是研發(fā)兼具高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命電池的關(guān)鍵。

近年來(lái)，先進(jìn)的原位電子顯微學(xué)(in-situTEM)技術(shù)逐漸成為材料研究中最有前景的表征方法之一。因?yàn)樗粌H保持了傳統(tǒng)TEM高空間分辨率和能量分辨率的優(yōu)點(diǎn)，還可以將樣品的結(jié)構(gòu)變化與施加外場(chǎng)對(duì)應(yīng)起來(lái)探索材料的構(gòu)效關(guān)系，做到真實(shí)、動(dòng)態(tài)還原材料在反應(yīng)過(guò)程中的表現(xiàn)。因此，運(yùn)用其在工況條件下直接測(cè)定電池中離子輸運(yùn)以及結(jié)構(gòu)變化，可以做到從原子級(jí)別揭示其性能衰減的原因，這對(duì)于鋰離子電池的研究具有非常重要的作用。但是，現(xiàn)有在電鏡中的原位反應(yīng)裝置不同于實(shí)際電池內(nèi)活性顆粒包埋于液態(tài)電解液的構(gòu)造，因此無(wú)法模擬實(shí)際電池進(jìn)行常規(guī)的電化學(xué)測(cè)試。而若想模擬真實(shí)反應(yīng)環(huán)境，就需要使用雙層非晶膜(＞100nm)封裝厚層電解液和電極顆粒，這會(huì)使電子束存在嚴(yán)重的多重散射，從而降低了電鏡分辨率，限制對(duì)結(jié)構(gòu)的精確解析。因此，在技術(shù)層面上，面臨的最大困難是既要在電鏡中模擬真實(shí)的封裝液體電池環(huán)境，保證電池進(jìn)行正常的電化學(xué)測(cè)試，又要提供精細(xì)且高質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有電鏡內(nèi)的原位微電池?zé)o法提供鋰離子電池原位充放電過(guò)程中正常的電化學(xué)測(cè)試的問(wèn)題，提供一種適用于透射電鏡原位樣品桿的雙傾TIP端，該TIP端可以提供真實(shí)的電池液體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從原子級(jí)別探究電池材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理，也可以實(shí)現(xiàn)樣品在β方向上的傾轉(zhuǎn)，更容易獲得特定晶相。

基于上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于透射電鏡原位電學(xué)桿進(jìn)行電池材料研究的雙傾TIP端設(shè)計(jì)。該電學(xué)桿雙傾TIP端可以將電信號(hào)和液體同時(shí)引入透射電鏡中，在電場(chǎng)和液體環(huán)境下還原真實(shí)的電池充放電環(huán)境以及所經(jīng)歷的各種電化學(xué)循環(huán)反應(yīng)。并通過(guò)控制厚度≤10nm的電解液，搭配可以在兩個(gè)自由度上傾轉(zhuǎn)樣品的雙傾功能，確保在不降低像差校正電鏡高分辨率的情況下，針對(duì)特定顆粒的特定晶面取向進(jìn)行精細(xì)的原位結(jié)構(gòu)表征。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種應(yīng)用于透射電鏡下原位樣品桿研究電池材料的雙傾TIP端，包括電學(xué)雙傾TIP端、雙傾驅(qū)動(dòng)桿體，該電學(xué)雙傾TIP端安裝在雙傾驅(qū)動(dòng)桿體上。電學(xué)雙傾TIP端由雙傾TIP基座、晶圓探針集成樣品座、定制樣品、電學(xué)芯片、傾轉(zhuǎn)軸、頂絲、扭簧轉(zhuǎn)軸、扭簧襯套、雙傾驅(qū)動(dòng)架、傾轉(zhuǎn)扭簧、芯片壓蓋、樣品鎖緊螺釘組成；其中定制樣品、電學(xué)芯片、芯片壓蓋均安裝在晶圓探針集成樣品座上形成傾轉(zhuǎn)組件，并通過(guò)樣品鎖緊螺釘固定，該傾轉(zhuǎn)組件通過(guò)傾轉(zhuǎn)軸安裝在雙傾TIP基座上，以?xún)A轉(zhuǎn)軸的軸線為中心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。