3D-Untersuchung der Materialstruktur und Chemie neuer Batterietechnologien
Das Verständnis der Struktur und der chemischen Zusammensetzung von Batteriematerialien ist von zentraler Bedeutung für die Bestimmung des Verhaltens und der Stabilität neuer chemischer Batteriekonzepte während des Zyklusprozesses. Das Verständnis der komplexen Beziehung zwischen lokaler Morphologie und chemischem Zustand, wie z. B. Partikel-, Hohlraum-, Lithium- und Bindemittelverteilung innerhalb von Elektroden, ist für die Leistungsoptimierung und Degradationsbeständigkeit dieser fortschrittlichen Batteriematerialien von entscheidender Bedeutung.
Durch den Einsatz der 3D-FIB-SEM-Tomographie in Kombination mit der ToF-SIMS-Analyse können wir detaillierte Untersuchungen der Materialzusammensetzung in neuen Batterietechnologien durchführen. Dieser 3D-Ansatz liefert präzisere volumetrische statistische Daten als die traditionelle ToF-SIMS-Tiefenprofilierung. Darüber hinaus hilft die 3D-ToF-SIMS-Tomographie bei der Lokalisierung von Verunreinigungen, Schwachstellen und chemischen Unstimmigkeiten innerhalb der Batteriekomponenten.
Charakterisierung von Festkörperelektrolyt-Grenzflächen in der Batterietechnologie
Ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer und die (Ent-)Ladungsrate der Lithium-Ionen-Batterie in der neuen Batterietechnologie beeinflusst, ist die Bildung einer festen Elektrolyt-Grenzfläche (SEI). Diese nanometergroße, dünne Passivierungsschicht verhindert den direkten Kontakt der Anodenpartikel mit dem Elektrolyten, wodurch Korrosion verhindert und eine schnelle Lithium-Ionen-Bewegung während des (De-)Interkalationsprozesses ermöglicht wird.
Durch die Integration von ToF-SIMS in das FIB-SEM-System können wir die Eigenschaften der SEI, wie ihre Verteilung, Gleichmäßigkeit und chemische Zusammensetzung auf der Oberfläche der Anodenpartikel, genau untersuchen. Diese Technik ist besonders geeignet, um leichte Elemente wie Li, C, O, F, die typischerweise in der SEI vorhanden sind, zu erkennen und ihre Tiefenverteilung zu untersuchen.
Studie zur Degradation von Festkörperbatterien
Festkörperbatterien bieten zwar eine potenzielle Alternative zu den Nachteilen von Lithium-Ionen-Batterien, nämlich Entflammbarkeit, geringe thermische Stabilität sowie begrenzte Leistung und Festigkeit, doch sind auch sie anfällig für Degradation. Probleme wie Risse im Festelektrolyten können zu elektrisch isolierten Bereichen führen, wodurch die Batteriekapazität nachlässt.
Das FIB-SEM-System ist für die Erstellung von Querschnitten der gesamten Elektroden-Elektrolyt-Batteriestruktur unverzichtbar. Dies ermöglicht die Identifizierung von Rissen und, wenn der Festkörperelektrolyt ionenstrahlempfindlich ist, die Anwendung kryogener Bedingungen, um Schäden zu minimieren und die Materialneubildung während der FIB-Fräsvorgänge zu reduzieren.
Elektrodenpartikel
Degradationsstudie
Die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie wird häufig durch die Degradation von Anoden-/Kathodenpartikeln beeinträchtigt, die in erster Linie auf Abblätterung, Bruch und Korrosion zurückzuführen ist. Diese Degradation, die durch mechanische Spannungen während der Lithiumbewegung sowie durch chemische Reaktionen ausgelöst wird, führt zu einer deutlichen Verringerung der Batteriekapazität.
Mit dem FIB-SEM-System können wir die Degradation der Partikel sowohl auf als auch unter der Elektrodenoberfläche der Batterie feststellen. Der fokussierte Ionenstrahl im FIB-SEM-System erleichtert die Erstellung von Querschnitten, die umfassende Untersuchungen der Ursachen der Partikeldegradation mit Hilfe von SEM, Raman-Spektroskopie, ToF-SIMS-Chemical Mapping und sogar in einem Volumen mit 3D-TOF-SIMS-Tomographie ermöglichen.
