Hochaufgelöste Elektronenmikroskopie
Mikrostrukturelle Merkmale auf verschiedenen Längenskalen vom Submillimeterbereich bis hin zur atomaren Struktur beeinflussen die Materialeigenschaften. Um den großen Bereich der Längenskalen abzudecken, nutzen wir Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM und (S)TEM), die in Kombination mit den spektroskopischen Methoden Energiedispersive Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) Einblick in die lokale Chemie geben. Elektronenbeugung im REM und TEM (auch 4D-STEM) gibt Aufschluss über die vorhandenen kristallographischen Phasen und Orientierungen. Mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) können ortsselektive Proben mikrostruktureller Merkmale für detailliertere Untersuchungen bis hin zur Atomstruktur im TEM vorbereitet werden.
Unsere Forschungsinteressen sind der Einfluss der Mikrostruktur sowie der kristallographischen Struktur von Materialien, Grenzflächen und Komponenten von Materialien, die zur Energiespeicherung und -umwandlung verwendet werden, auf deren elektrochemische Leistung.
Für den Sub-mm- bis hin zum nm-Bereich verwenden wir Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Bildgebung in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD), um die lokale Chemie und Kristallorientierung zu analysieren, die Einblicke in die Phasenbildung/-segregation während der Synthese und des Betriebs liefern. Der fokussierte Ionenstrahl (FIB) wird verwendet, um eine solche Analyse in drei Dimensionen durch anschließendes Schneiden und Abbilden durchzuführen. Aus rekonstruierten Probenvolumina werden die quantitative Verteilung von Phasen, Grenzflächen, Dreiphasengrenzen (TPB) und phasenspezifische Oberflächenbereiche ermittelt, die für die Aktivität in porösen Elektroden für Festoxid-Brennstoff-/Elektrolyseurzellen (SOFC/SOEC) wichtig sind. Eine weitere Anwendung von FIB ist die ortsspezifische Vorbereitung von Lamellen für TEM.
FIB-Tomographie und STEM-EDS/EELS-Analyse von spindelförmigen LiTi2(PO4)3-Partikeln, die ein verbessertes Zyklenverhalten zeigten, zeigten, dass sogar kleinere Phasen wie TiO2 (Anatas)-Nanopartikel eine Rolle spielen können, wenn sie ein dreidimensional verbundenes Netzwerk bilden. 1 Die kristallographische Struktur aller Phasen konnte durch hochauflösende Bilder dargestellt werden.
Basierend auf hochauflösender TEM-Bildgebung stellen wir ein Strukturmodell einer Korngrenze im Festelektrolyten Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3 für Li-Ionen-Batterien bereit. 2, 3 Molekulardynamische Simulationen zeigten, dass die Leitfähigkeit über eine solche Grenzfläche nahezu mit der von Massenkörnern vergleichbar ist. Die in makroskopischen Experimenten beobachtete Korngrenzenleitfähigkeit, die drei Größenordnungen niedriger ist als die Gesamtleitfähigkeit, muss daher auf andere Effekte zurückgeführt werden, beispielsweise auf die Rissbildung an Korngrenzen. 3
Für den Perowskit La(1-δ)FeO3, der ein Katalysator für Luftelektroden in SOECs/SOFCs ist, zeigen EELS-, EDS-, HRSTEM- und SEM-Untersuchungen, dass während der Festkörpersynthese kein La-defizitäres La(1-δ)FeO3 gebildet wird. Mit EELS konnte keine Änderung des Fe-Valenzzustands nachgewiesen werden, stattdessen wird Fe2O3 in Übereinstimmung mit ab-initio Berechnungen als Sekundärphase beobachtet. 4
In-situ (HR)TEM und Elektronenbeugung von elektrogesponnenen, aus Polyacrylnitril (PAN) gewonnenen Kohlenstofffasern zeigen, wie sich die Kohlenstoffstruktur mit zunehmender Temperatur von amorph zu turbostratisch ändert, was die zunehmende elektrische Leitfähigkeit solcher Fasern erklärt, die bei 800 °C und darüber karbonisiert werden. 5, 6
Solche Kohlenstofffasern können auch als 3D-strukturiertes Stromkollektor-Matrixmaterial für Zero-Excess-Li-Ion-Batterien verwendet werden. Die Li-Abscheidung kann nicht nur durch die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch durch lithiophile-lithiophobe Komponenten beeinflusst werden. Für Probenserien, die bei unterschiedlichen Temperaturen karbonisiert wurden, zeigt STEM-EDS, wie sich Cu- (lithiophobe) und Ag- (lithiophile) Nanopartikel in den Fasern bilden und wie sich ihre Größe und Verteilung mit der Karbonisierungstemperatur ändert. Die beste Zyklenstabilität wird für die bei 700 °C karbonisierte Probe beobachtet, was durch ein optimales Gleichgewicht zwischen elektrischer Leitfähigkeit und lithiophil-lithiophobem Gradienten erklärt wird. 7
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Letzte Änderung: 26.02.2025