Methodik

Die interdisziplinäre Gruppe für Methodik am Helmholtz-Institut Münster erforscht moderne Konzepte und komplexe analytische Ansätze zur umfassenden Charakterisierung und Weiterentwicklung von Materialien im Bereich der Elektrolyte für Energiespeicher. Einen Untersuchungsschwerpunkt bilden Polymer- und Flüssigelektrolyte sowie durch die Kombination mit Keramikbestandteilen resultierenden hybriden Systeme, aber auch Komposit-Elektroden. Die Analytik umfasst gängige und neuartige elektrochemische sowie spektroskopische Methoden. In Kooperation mit Partner:innen aus Industrie und Forschung werden auch computergestützte Techniken angewandt.

Die Forscher:innen analysieren den Ladungstransport in elektrochemischen Komponenten, beispielsweise die Diffusion komplexierter Ionen in Flüssig- oder Polymerelektrolyten an Grenzflächen, oder Mechanismen der Ionenleitung innerhalb von (Fest-)Elektrolyten und Elektroden. Dabei kommen neben weiteren elektrochemischen Methoden die Feldgradienten-NMR sowie die Impedanzspektroskopie zur Anwendung. Molekulardynamik-Simulationen können Impulse zur Auswertung experimenteller Daten liefern oder Strategien gezielter Materialoptimierung überprüfen, insbesondere hinsichtlich geeigneter Strukturmotive sowie Präsenz funktioneller Gruppen für den optimalen Ladungstransport in Elektrolytsystemen.

Bestimmung von Kapazitätsverlusten

Methoden der NMR-Spektroskopie können dank der Elementselektivität und prinzipiell quantitativen Messweise zur Charakterisierung und operando-Bestimmung auftretender Lithiummetallabscheidungen in elektrochemischen Zellen herangezogen werden. So ermöglicht ein weiterentwickeltes NMR-basiertes Protokoll beispielsweise die Erfassung von Beiträgen irreversibler Kapazitätsverluste von Zellen durch die etwaige Bildung elektrochemisch inaktiver Lithiumdeposite oder Grenzschichten auf (partikulären) Aktivmaterialien. Zudem liefern NMR-Messungen mit Pouch-artigen Dünnfilmzellen Hinweise auf die Homogenität und Reversibilität der Lithiumabscheidung, jeweils in Abhängigkeit von Behandlungen der Elektrodenoberflächen, einschließlich Einbringung möglicher Funktions-/Schutzschichten, Variationen der Elektrolytformulierungen, sowie etwaiger Anpassungen der elektrochemischen Betriebsparameter der Zellen. Einblicke in Redox-Prozesse und Komponenten an Elektrodengrenzflächen werden mittels DNP-NMR angestrebt, bei der freie Elektronendichte (z.B. im Lithiummetall) zur Polarisation von NMR-Messkernen genutzt wird.

Magnetresonanz-Bildgebung

Die operando-Erfassung ortsaufgelöster elektrochemischer Reaktionen wird durch Techniken der Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) ermöglicht. Gegenwärtige Schwerpunktarbeiten der Methodik-Gruppe dienen vor allem der Entwicklung geeigneter MRI-Messzellen und der experimentellen Anpassung jeweiliger MRI-Methodik zur Unterdrückung möglicher Störsignale sowie der Optimierung von eindimensionalen Konzentrationsprofilen. Künftige Schritte der Forschung am HI MS beinhalten sowohl die Umsetzung des zweidimensionalen Chemical Shift Imaging (CSI) und der dreidimensionalen Bildgebung metallischer Deposite in elektrochemischen Zellen, als auch die gezielte Anpassung elektrochemischer Methoden zur Untersuchung irreversibler Vorgänge in Elektrolyten. MRI-Ansätze zur Bildgebung und Evaluation von Lithium-Depositen werden in Kooperation mit Partner:innen aus der Forschung durch Untersuchungen mit Rönten-Tomographie komplementär ergänzt.

Rasterkraftmikroskopie-basierte Messmethoden

Mithilfe von verschiedenen auf Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy, AFM) basierenden Messmethoden ist es möglich, die Probentopografie sowie unterschiedliche chemische und physikalischen Eigenschaften mit hoher Ortsauflösung zu vermessen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Rasterkelvinsonden-Mikroskopie (engl. Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM), mit der das lokale Oberflächenpotential von Feststoffen analysiert werden kann. Das Verfahren erlaubt beispielsweise detaillierte Messungen der lokalen Potentialverteilung an Grenzschichten, zum Beispiel an Phasengrenzen in Hybridelektrolyten.

Parallel können weitere Eigenschaften wie die lokale Elastizität, Rauigkeit, chemische Diffusionskoeffizienten oder Elektronenleitfähigkeit der Probenoberfläche (engl. Current Sensing AFM, C-AFM) analysiert werden. Ein verkapseltes System erlaubt Messungen sowohl in verschiedenen Gasatmosphären als auch in Flüssigelektrolyten sowie in einem variablen Temperaturbereich von 0 - 150 °C.

Ausgewählte Publikationen:

ACS Applied Energy Materials 2023, 6, 4800, DOI: 10.1021/acsaem.3c00208

ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 53893, DOI: 10.1021/acsami.2c16869

Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100496, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100496

Journal of Physical Chemistry C 2021, 125, 252, DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09771

Cell Reports Physical Science 2020, 1, 100139, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100139