IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

3D-Analyse Poröser Medien: SOFC Elektroden

Die Leistungsfähigkeit der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC, solid oxide fuel cell) wird maßgeblich von ihren Elektroden bestimmt. Da die Performance der Elektroden wiederum stark von deren Mikrostruktur abhängt, ist die Analyse der porösen Strukturen von besonderem Interesse. Video 1 zeigt einen virtuellen Flug durch einen 5 × 5 × 7.5 µm3 großen Ausschnitt einer porösen SOFC Kathode, welche mittels FIB/SEM-Tomographie rekonstruiert wurde. Der Flug verläuft durch den Porenraum entlang des Diffusionsweges des Sauerstoffs zum Reaktionsort, an welchem die Sauerstoffreduktionsreaktion stattfindet. Die Kathode besteht aus einer mischleitenden (elektronisch und ionisch) Keramik, dem La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF). Sie ist Teil einer anodengestützten Vollzelle, welche am Forschungszentrum Jülich hergestellt wurde. Ausgehend von dieser Rekonstruktion können Mikrostrukturparameter wie Materialanteil, Porosität, elektrochemisch aktive Oberfläche und Tortuosität bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Rekonstruktion als Modellgeometrie in detaillierten Mikrostrukturmodellen dienen, um räumlich aufgelöste Simulationen durchzuführen.


Ein Weiteres Anwendungsbeispiel ist die Visualisierung von Fremdphasen an der Kathoden/Elektrolyt Grenzfläche mittels FIB/SEM-Tomographie, wodurch eine detailliertere Untersuchungen der Mikrostruktur  ermöglicht wird. Eine Korrelation via energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) am Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erlaubt eine Aussage über die genaue chemische Zusammensetzung der  gefundenen Fremdphasen. Video 2 zeigt beispielhalft das rekonstruierte Interface zwischen Kathode und Elektrolyt (Voxelgröße: (25 nm)3; Volumen: 10.7 x 14.7 x 1.4 μm3). Die Kathode (LSCF) ist in blau dargestellt, die CGO-Diffusionsbarriere (Gadolinium dotiertes Ceroxid) in braun, der YSZ-Elektrolyt (Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid) in gelb, und die Fremdphasen in türkis und grün. Anhand der rekonstruierten Daten können 3D-Mikrostrukturmodellparameter verbessert und Performanceunterschiede eruiert werden.

 

Am IAM-WET wurde bereits eine Vielzahl von 3D-Rekonstruktionen unterschiedlichster Elektroden der Hochtemperatur-Brennstoffzelle durchgeführt. Bei der FIB/SEM-Tomographie liegt die Voxelgröße hier üblicherweise im Bereich von 153 bis 503 nm3, angepasst auf die speziellen Anforderungen der jeweiligen Probe. Die rekonstruierten Volumen betragen bis ca. 40 000 μm3.

 

Mehr Informationen über die Rekonstruktion, Quantifizierung und Simulation von SOFC Elektroden finden Sie in nachfolgenden Publikationen:

Mehr Informationen über die Rekonstruktion, Quantifizierung und Simulation von Elektroden der Lithium-Ionen Batterie finden Sie hier und in nachfolgenden Publikationen: