IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

3D-Analyse poröser Medien: LiB-Elektroden

Bei der Analyse und Optimierung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Batterien spielt die poröse Struktur der Elektroden eine entscheidende Rolle. Video 1 zeigt die Visualisierung einer porösen Batterieelektrode.

Die 3D-Rekonstruktion wurde mit einer Auflösung von (30nm)3 Voxelgröße mittels FIB/SEM – Tomographie durchgeführt. Der Ausschnitt zeigt ein 8 x 8 x 15 μm3 großes Teilvolumen einer insgesamt 33 x 42 x 19 μm3 großen Rekonstruktion.

Es handelt sich hier um eine sogenannte Blend-Kathode, welche in diesem Fall zwei Aktivmaterialien besitzt (Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) in grün und Nickel-Aluminium-Cobalt (NCA) in gelb) um die Vorteile beider Materialien zu kombinieren. Des Weiteren wird der Kathode ein spezieller Leitruß zugefügt um die Elektronenleitfähigkeit zu verbessert (in grau dargestellt).


Batterie-Anoden besitzen im Vergleich zu den Kathoden wesentlich größere Partikel (mehrere 10 Mikrometer Durchmesser), weshalb die Mikrostrukturanalyse hier mittels hochauflösender 3D-Röntgenmikroskopie erfolgt. Video 2 zeigt die Visualisierung eines 35 x 35 x 35 μm3 großen Ausschnitts einer porösen Anodenstruktur aus Graphit (gesamt rekonstruiertes Volumen 135 x 135 x 100 μm3). Die verwendete Voxelgröße ist (250nm)3. Die 3D-Röntgenmikroskopie (auch als Computertomographie (CT) bezeichnet) erlaubt die Rekonstruktion größerer Volumen im Vergleich zur FIB/SEM-Tomographie, kann jedoch den Leitruß der Kathode aufgrund niedrigerer Auflösungsgrenzen und schlechterer Kontrasteigenschaften nur unzureichend auflösen.

 

Am IAM-WET wurde bereits eine Vielzahl von 3D-Rekonstruktionen unterschiedlichster Batterieelektroden durchgeführt. Bei der FIB/SEM-Tomographie liegt die Voxelgröße hier üblicherweise im Bereich von 17,53 bis 453 nm3, angepasst an die speziellen Anforderungen der jeweiligen Probe. Die rekonstruierten Volumen betragen zwischen  8 956 μm3 und  76 124 μm3.

Weitere Informationen sowie Bespiele zu 3D-Rekonstruktionen von Batterieelektroden mittels FIB/SEM und Röntgen-Tomographie finden Sie in nachfolgenden Publikationen:

 

[1] 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).

[2] 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).

[3] 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", J. Power Soources 269, pp. 912-919 (2014).

[4] L. Almar, J. Joos, A. Weber and E. Ivers-Tiffée, "Microstructural feature analysis of commercial Li-ion battery cathodes by focused ion beam tomography", J. Power Soources 427, pp. 912-919 (2019).

[5] https://vimeo.com/mosesender

 

Informationen und Beispiele zur 3D-Rekonstruktionen von Elektroden der Hochtemperatur-Brennstoffzelle SOFC finden Sie hier.