FIB-TOF ‖ 全固态电池截面的原位FIB加工和分析

FIB-TOF ‖ 全固态电池截面的原位FIB加工和分析

关键词：聚焦离子束（FIB），TOF-SIMS，快速表征，截面，元素map

锂离子电池具有自放电小、开路电压高、能量密度大、循环寿命长等优点，自问世以来就备受关注。但是，锂离子电池采用含有机溶剂的液体电解质，存在不容忽视的安全隐患。对此，全固态电池（ABBS）应运而生，因其电解质在内的所有组件都是固态的，在安全性和热稳定性上有着显著优势，已然成为新能源、储能技术、材料科学等领域的研究热点。然而，电极与固体电解质之间的界面存在着来源尚不明确的电阻，成为影响ABBS实际应用的最大障碍之一。因此，利用有效的表面分析技术研究SE/阴极界面的相互作用，对提高全固态电池的性能至关必要。

飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）是电池材料界面表征最有效的方法之一，不仅能够以极高灵敏度检测所有组分（包括元素和分子结构），还能凭借高空间分辨进行微区成像，直观地展示不同组分在表/界面的分布情况。这为揭示造成全固态电池低离子电导率的原因，以及解决电解质制造、固-固界面优化这两个核心问题具有重要的指导作用。

应用案例

PHI nanoTOF特有的Bi离子源不仅担当着初级脉冲离子源的角色，还具备聚焦离子束（FIB）功能。当液态金属离子枪开启FIB模式时，他可以直接对固体样品进行切割加工。对于多层结构的全固态电池样品，传统的逐层深度剖析方法会遇到耗时过长的挑战。这是因为当分析深度达到微米级别时，逐层剥离进行深度分析，每一层都需要单独的剥离和测量，这大大增加了整个分析过程的时间。然而，PHI nanoTOF的Bi-FIB功能可以直接对固体样品进行切割加工，大大缩短了样品制备的时间，在电池材料表界面分析中展现了显著的效率和便捷性。

以图1所示的多层结构全固态电池样品为例，PHI nanoTOF的Bi-FIB功能仅用~8.3 min就可以完成横截面的精细加工。更重要的是，这种高效的样品制备过程与随后的TOF-SIMS表征无缝衔接，TOF-SIMS对截面的分析过程仅用时~4.3 min（30 frames）。从样品界面制备到表征整个流程，都是在TOF-SIMS设备内完成，而且全程总耗时仅~13分钟，这是传统方法难以比拟的速度。这一高效且便捷的流程使得研究人员能够快速的揭示电池样品“由表及里”的微观特征。

图1. ASSB结构（左）以及FIB-TOF工作（右）的示意图

FIB-TOF揭示了全固态电池埋层界面的化学物种。结果表明，在固体电解质/阴极的FIB横截面处Li3O+的存在（见图2），这可能是由于在LiPON的沉积过程中诱导LiCoO2的分解，导致Li3O+的产生以及Co的还原。为进一步验证这一结果，对该电池截面做了详尽的线性分析，再次证实了Li3O+的存在，且Li3O+的浓度在深度方向存在明显差异。

图2. 固态电解质/阴极FIB横截面的TOF-SIMS表征

PHI nanoTOF通过FIB-TOF实现了对全固态电池表/界面的快速表征，这不仅揭示了固-固界面微观变化的根本机制，还为降低界面电阻的策略提供了重要的指导。此外，该技术对表/界面微观过程的全面表征将有助于扩大全固态电池的应用潜力，并为完善高性能全固态电池的制造工艺、降低成本、批量化生产等提供独到的见解。展望未来，PHI nanoTOF将与广大的科研学者携手并进，共同推动新能源产业的大力发展。