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 La_0.58Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-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-ET 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:

• J. Joos, M. Ender, I. Rotscholl, N. Menzler, and E. Ivers-Tiffée, "Quantification of Double-Layer Ni/YSZ Fuel Cell Anodes from Focused Ion Beam Tomography Data", J. of Power Sources 246, pp. 819-830 (2014).

• A. Häffelin, J. Joos, M. Ender, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "Time-Dependent 3D Impedance Model of Mixed-Conducting Solid Oxide Fuel Cell Cathodes", J. Electrochem. Soc. 160 (8), pp. F867-F876 (2013).

• J. Joos, M. Ender, T. Carraro, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "Representative volume element size for accurate solid oxide fuel cell cathode reconstructions from focused ion beam tomography data", Electrochimica Acta 82, pp. 268-276 (2012).

• T. Carraro, J. Joos, B. Rüger, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "3D finite element model for reconstructed mixed-conducting cathodes: I. Performance quantification", Electrochimica Acta 77, pp. 315-323 (2012).

• T. Carraro, J. Joos, B. Rüger, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "3D finite element model for reconstructed mixed-conducting cathodes: II. Parameter sensitivity analysis", Electrochimica Acta 77, pp. 309-314 (2012).

• J. Joos, T. Carraro, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "Reconstruction of porous electrodes by FIB/SEM for detailed microstructure modeling", J. Power Sources 196, pp. 7302-7307 (2011).

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

• M. Ender, J. Joos, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "Anode microstructures from high-energy and high-power lithium-ion cylindrical cells obtained by X-ray nano-tomography", Journal of Power Sources 269, pp. 912-919 (2014).
• M. Ender, J. Joos, T. Carraro and E. Ivers-Tiffée, "Quantitatve Characterization of LiFePO4 Cathodes Reconstructed by FIB/SEM Tomography", J. Electrochem. Soc. 159, pp. A972-A980 (2012).
• M. Ender, J. Joos, T. Carraro and E. Ivers-Tiffée, "Three-dimensional reconstruction of a composite cathode for lithium-ion cells", Electrochemistry Communications 13, pp. 166-168 (2011).