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Galerie der Bilder von 2017

Januar 2017
Januar 2017

3-dimensionale Diffusionspfade in einem festen Ionenleiter - Neben der Etablierung neuer Präparations- und Prozessierungsmethoden erfordert die Entwicklung funktionsfähiger Lithium-Feststoffbatterien ein tiefes Verständnis der zugrundeliegenden Interkalations- und Diffusionsmechanismen der verwendeten Komponenten. Unter den festen Lithiumionenleitern genießt Li10GeP2S12 (LGPS) dank seiner enorm hohen ionischen Leitfähigkeit von über 10 mS/cm eine besonders hohe Popularität. Die Abbildung zeigt die einzelnen Schritte von der Synthese der hellgrauen Verbindung bis hin zur Visualisierung der Lithium-Diffusionspfade, die aus Neutronenpulverbeugungsdaten mithilfe der Maximale-Entropie-Methode (MEM) bestimmt wurden. Diese Methode ermöglicht die Darstellung der Kerndichteverteilung für Lithium, das in der Neutronenbeugung eine negative Streulängendichte aufweist. Hierbei wird deutlich, dass sowohl entlang der c-Achse, als auch in der a-b-Ebene der tetragonalen Elementarzelle von LGPS Diffusionspfade für Lithiumionen vorliegen. (Bild eingereicht von Dominik Weber.)

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Februar 2017
Februar 2017

Für die Entwicklung stationärer Systeme zur Energiespeicherung stellt die elektrokatalytische Wasserspaltung einen ökologischen Weg dar, Wasserstoff als chemischen Energieträger zu verwenden. Dabei ist insbesondere die Reaktion an der Anode von großem Forschungsinteresse. Die hohe Überspannung, welche zur Erzeugung von Sauerstoff aufgewendet werden muss und die Stabilität der Elektrode sind wesentliche Probleme der kostengünstigen Erzeugung von Wasserstoff. Bisher werden diese Anforderungen nur durch Metalloxide seltener Erden erfüllt, wodurch die Elektroden sehr teuer in der Anschaffung sind. Die Natur verwendet in der Photosynthese ein Calciummanganoxid zur Katalyse der Sauerstofferzeugung. Da der Mechanismus der Sauerstofferzeugung noch nicht vollständig erforscht ist, stellt diese Materialklasse ein sehr interessantes Forschungsgebiet dar. Die Abbildung zeigt jeweils Messungen zur Aktivität und Stabilität eines Manganoxidkatalysators. Durch die Steuerung der Defektchemie binärer und ternärer Manganoxidphasen soll hierbei gezielt die Aktivität und Stabilität der Phasen verbessert werden. (Bild eingereicht von Raika Oppermann und Christoph Richter.)

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März 2017
März 2017

Die Lithiumionen-Batterie ist in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte ist sie auch von besonderem Interesse für Elektrofahrzeuge. Als Kathodenmaterial in Batterien wird häufig LiNi1-x-yCoxMnyO2 (NCM) verwendet. Vor kurzem wurde entdeckt, dass die Nickelionen während der Zyklisierung in den zweiwertigen Oxidationszustand reduziert werden können und in die Lithiumschicht diffundieren. Da dieser Effekt die elektrochemische Leistung der Batterie deutlich verschlechtert, ist es wichtig, ein besseres Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen zu bekommen. Durch Röntgendiffraktion mit Synchrotronstrahlung ist es möglich, hoch aufgelöste Strukturdaten zu erhalten, die sehr genaue Informationen über die Kristallstruktur liefern (z.B. Paarverteilungsfunktionen). Diese Daten können dabei helfen, den Effekt des „cation mixing“ besser zu verstehen und Strategien zu entwickeln, um diese Leistungsprobleme zu lösen. Die Abbildung zeigt eine Paarverteilungsfunktion von NCM und zwei Wahrscheinlichkeitsdichten von Atomabständen in der Einheitszelle. (Bild eingereicht von Jan Binder.)

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April 2017
April 2017

Aufgrund ihrer hohen Sauerstoffspeicherkapazität werden feste Lösungen von Cerdioxid und Zirkoniumdioxid (CexZr1-xO2) häufig in katalytischen Anwendungen wie z.B. dem Drei-Wege-Katalysator im Abgasstrang moderner Fahrzeuge verwendet. In den letzten Jahren rückten nanostrukturierte Cerzirkoniumdioxid basierte Materialien zusätzlich aufgrund einer erhöhten Protonenleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen in den Fokus des Interesses. Der Ursprung der Protonenleitfähigkeit wird allerdings stark debattiert.Um den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die elektrischen Transportprozesse zu untersuchen, verwenden wir Cerzirkoniumdioxid-Dünnschichten als Modellsystem, welche mittels gepulster Laserablation abgeschieden wurden. Zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Dünnfilme parallel zur Oberfläche wurden Platin-Interdigitalelektrode mittels photolithographischer Methoden im Mikro- und Nanostrukturierungslabor (MiNa) des Zentrums für Materialforschung (LaMa) präpariert. Das linke Bild zeigt die Temperaturabhängigkeit der Gesamtleitfähigkeit, welche aus Impedanzmessungen an einem Cerzirkoniumdünnfilm ermittelt wurde. Eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme des Dünnfilms ist im rechten Bild zu sehen. Bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit ist ein protonischer Betrag zur Leitfähigkeit nur bei niedrigen Temperaturen zu beobachten. Unter hoher relativer Luftfeuchtigkeit bildet sich innerhalb des Temperaturbereichs von 400 °C bis 30°C ein Leitfähigkeitsplateau aus, welches auf die Bildung eines Wasserfilms zurückzuführen ist. (Bild eingereicht von Matthias Kleine-Boymann)

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Mai 2017
Mai 2017

Bei der Untersuchung von unterstöchiometrischen und amorphen Dünnschichten wurden temperaturabhängige Transmissions-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen gemacht, um die Kristallisation auf mikrostruktureller Ebene zu beobachten und diese mit Röntgen-beugungsmessungen zu vergleichen. Die Abbildung zeigt In-situ-TEM-Bilder bei 75 °C einer vorher amorphen Dünnschicht aus Zirkoniumoxid mit einer formalen Zusammensetzung von 1:1 (Zr:O). Die Nukleation beginnt schon bei niedrigeren Temperaturen und geht von der Platin-Grenzschicht aus. Die beiden Körner (50 nm x 30 nm) dehnen sich aus und wachsen innerhalb weniger Minuten zusammen.Weitere Infos zum Dünnschichtmaterial „ZrOx“ (z. B. Beugungsdaten) finden sich unter: Phase formation and stability in TiOx and ZrOx thin films: Extremely sub-stoichiometric functional oxides for electrical and TCO applications, Z. Kristallogr. 2017; 232(1-3): 161-183, DOI: 10.1515/zkri-2016-1981, De Gruyter(Bild eingereicht von Ralph Henning.)

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Juni 2017
Juni 2017

Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme einer Kompositkathode aus Li[Ni,Co,Mn]O2 und dem Festelektrolyten Li3PS4, die in einer Dickschicht-Lithium-Feststoff-Batterie eingesetzt wurde. Die verpresste Batterie wurde nach dem Zyklisieren unter Argonatmosphäre zerlegt und untersucht. Zwischen dem Festelektrolyten und dem Aktivmaterial hat sich nach dem Zyklisieren eine nanometergroße Lücke zwischen dem Festelektrolyten und dem Aktivmaterial ausgebildet. Dieser Kontaktverlust entsteht vermutlich durch das Schrumpfen der NCM-Partikel in Folge der Delithiierung beim Ladevorgang, was eine niedrigere Kapazität durch teilweise isolierte Partikel zur Folge hat. (Bild eingereicht von Raimund Koerver.)

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Juli 2017
Juli 2017

In der Abbildung sind Detailspektren von Sauerstoff, Kohlenstoff und Lithium gezeigt, die mittels Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) aufgenommen wurden. Die Messung wurde an einer Lithiumoberfläche durchgeführt, die in Kontakt mit dem Batterieelektrolyten 1,3-Dioxolan stand. Organische Lösemittel zersetzen sich an Lithiumoberflächen und passivieren diese. Die XPS ist dazu prädestiniert solche Passivierungsschichten zu untersuchen, da mit ihrer Hilfe Elemente und ihre Oxidationszustände unterschieden werden können. Die Herausforderung dabei ist, die gemessenen Signale den jeweiligen Verbindungen zuzuordnen, was hier anhand der über den Messungen gezeigten Strukturen zu erkennen ist. (Bild eingereicht von Carsten Fiedler.)

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September 2017
September 2017

Ermittlung der Beweglichkeit von Sr2+ in kortikalem Rattenknochen. Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches TRR 79 werden neuartige mit Wirkstoffdepots versehene Knochenersatzmaterialien entwickelt, um die Frakturheilung nach einem osteoporotischen Bruch zu verbessern. Die Wirkstoffe sollen nach Implantation über einen möglichst langen Zeitraum freigesetzt werden und den Knochenaufbau lokal stimulieren. Der Wirkstoff Strontium hat einen dualen Effekt auf die Knochenheilung: Knochen aufbauende Zellen (Osteoblasten) werden stimuliert und Knochen abbauende Zellen (Osteoklasten) inhibiert. Die vollständige Aufklärung des Transportes von Wirkstoffen wie Sr2+ im Knochen kann dazu beitragen, die Wirkstoffausbreitung im Knochen vorher zu sagen bzw. simulieren zu können und somit Tierversuche zu reduzieren. a) ToF-SIMS. Die oberen Bilder zeigen jeweils die Images des Ca2+ (mineralisierter Knochen) und des Sr2+ Signals. In den unteren Bildern ist die räumliche Verteilung von Ca2+ und Sr2+ im kortikalen Knochen in einer 3D-Darstellung (Tiefenprofil) gezeigt. b) Konfokalmikroskop. Aufnahme des durch den Abtrag in der SIMS entstandenen Kraters in der Kortikalis. (Bild eingereicht von Christine Kern)

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Oktober 2017
Oktober 2017

Die elektrochemische Synthese aus Ionischen Flüssigkeiten (ILs) bietet eine Alternative auf dem Weg zu ungewöhnlichen Edelmetallverbindungen, da bei dieser Route auf extreme Bedingungen (hohe Drücke oder Temperaturen, reaktive und gesundheits-/umweltgefährdende Edukte) verzichtet werden kann. Hierbei wird analog zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen Sauerstoff an einer Kathode zum Superoxid reduziert (Red1: O2 + e– → O2–), Silber an der Anode oxidiert (Ox: Ag → Ag+ + e–) und diese können gemeinsam zu einem Silberoxid AgxOy ausfallen bzw. weiter disproportionieren. Die bei Ox entstehenden Metallkationen konkurrieren allerdings mit dem gelösten Sauerstoff an der Kathode um die Reduktion. Somit kann an der Kathode statt Red1 auch die umgekehrte Reaktion zu Ox ablaufen (Red2: Ag+ + e– → Ag) und die Sauerstoffreduktion unterdrückt werden.Sättigt man die IL ([Pyr13][TFSI]) mit Sauerstoff ist das Sauerstoffreduktionssignal bei einem Potential von -1,17 V (Red1) im Zyklovoltammogramm sichtbar (linke Abbildung, blaue Kurve). Fügt man nun Silbersalz (Ag[TFSI]) hinzu und hat somit Silber und Sauerstoff gleichzeitig in Lösung vorliegen, verschiebt sich das Halbwellen-Potential auf -0,38 V. Dies entspricht nahezu dem des Silberredoxpotentials (-0,4 V). Somit findet (im Gegensatz zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen) unter diesen Bedingungen keine Reaktion von Sauerstoff mit Silber zum Metalloxid statt (Red1 und Ox), sondern reines Silber wird abgeschieden und der Sauerstoff bleibt unbeteiligt (Red2 und Ox). Eine REM-Aufnahme der porösen Morphologie des abgeschiedenen Silbers ist rechts dargestellt.Ziel des Projekts ist den Einfluss diverser Parameter (Temperatur, CV Scangeschwindigkeit, Potential, Konzentrationen) auf das Auftreten der konkurrierenden Reduktionsreaktionen Red1 bzw. Red2 zu untersuchen und so ein besseres Verständnis für die auftretenden Reaktionen zu erhalten. (Bild eingereicht von Peter Schmitz)

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November 2017
November 2017

Für die Erforschung grundlegender Effekte der Lithiumionen-Batterie ist im wissenschaftlichen Alltag die Präparation von Modellsystemen ein wichtiges Instrument, um gezielt die Komplexität eines Systems auf die zu untersuchende Eigenschaft zu reduzieren. Die Präparation und Untersuchung von sehr dünnen und glatten Schichten der Elektrodenmaterialien beispielsweise erlauben es, Rückschlüsse über die Wechselwirkung mit dem Elektrolyten an ihrer Grenzfläche zu ziehen. Die Präparation dieser Schichten wird dabei von vielen verschiedenen Parametern beeinflusst. Im gezeigten Beispiel ist der Einfluss verschiedener Trägermaterialien (Substrate) auf die Morphologie und Textur der Schichten gezeigt.Diese bestehen aus LiNi0.5Mn1.5O4 und wurden jeweils durch spin-coating auf Silizium-Wafern bzw. auf platinbeschichtetem, Yttrium-dotierten Zirkoniumdioxid (YSZ/Pt) hergestellt. Dabei wird eine stöchiometrische Lösung der Metallsalze auf das rotierende Trägermaterial getropft und anschließend im Ofen auskristallisiert. Die Schichtdicke kann dabei über die Abscheidung mehrerer Lagen gesteuert werden. Die Probe auf dem Silizium-Wafer (a) und Querschnitt c)) haftet nur sehr schlecht und die entstandene Dünnschicht ist stark verspannt, was zu Rissen und Deformationen in der Dünnschicht führt. Auf YSZ/Pt (b) und Querschnitt d)) dagegen ist die Dünnschicht bei identischen Bedingungen stabil, und es lassen sich sogar die individuellen Beschichtungslagen im Querschnitt d) erkennen. Die Herstellungsbedingungen eines abzuscheidenden Materials müssen also individuell an das verwendete Trägermaterial angepasst werden. (Bild eingereicht von Patrick Schichtel.)

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Dezember 2017
Dezember 2017

Zur Realisierung der großtechnischen Anwendung von “Next Generation“-Batteriesystemen müssen verschiedene Probleme gelöst werden. Hierzu zählen im Fall von Feststoffbatterien beispielsweise Kapazitätsverluste und geringe Zyklenlebensdauern. In diesem Zusammenhang ist es essentiell, Degradationsmechanismen aufzuklären, um eine hohe Zellperformance zu ermöglichen. Untersuchungen zur Grenzfläche zwischen der Kathode und dem Elektrolyten basieren typischerweise auf elektrochemischen Untersuchungen, Beugungsmethoden, Mikroskopie und computerunterstützter Simulation. Die Möglichkeiten analytischer Messmethoden wie der Flugzeitmassenspektrometrie (ToF-SIMS) werden jedoch häufig nicht vollständig ausgeschöpft. In der Abbildung sind 3D-Tomografiestudien von unbeschichteten und beschichteten Li[NixCoyMnz]O2 Partikeln (x + y + z = 1) dargestellt, die mit Hilfe von ToF-SIMS gemessen wurden. Die Beschichtung des Kathodenmaterials sollte idealerweise zu einer Verbesserung der Batterieperformance führen und homogen auf der Partikeloberfläche verteilt sein. Die Abbildung zeigt deutlich, dass ToF-SIMS eine hervorragende Methode zur Untersuchung solcher Beschichtungen ist. Die Signale der Partikel sind klar von denen der Beschichtung trennbar, was eine Charakterisierung der Beschichtungsmorphologie erlaubt. Mit einer maximalen lateralen Auflösung von bis zu 100 nm können gleichzeitig morphologische und chemische Informationen erhalten werden, was in dieser Form durch andere Analysemethoden nicht ohne Weiteres realisierbar ist. (Bild eingereicht von Felix Walther.)

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