Galerie der Bilder von 2019

Januar 2019

Ein wesentliches Problem bei der aktuellen Batterietechnologie mit flüssigen, organischen Elektrolyten ist die Bildung von Lithiumdendriten. Wenn diese die Kathodenseite erreichen, schließt es die Zelle kurz. Dies führt zum Ausfall des Moduls, bis hin zur Bildung giftiger und brennbarer Gase. Dendriten bilden sich aufgrund einer nicht einheitlichen Abscheidung von Lithium auf der Anodenseite während des Ladens einer Batterie. Flüssige Elektrolyte und auch Polymere können das Durchwachsen der Dendriten durch den Elektrolyten nicht unterbinden. Deshalb rücken feste, anorganische und kristalline Elektrolyte in den Fokus der Forschung, da diese neben ihrer hohen Leitfähigkeit, Gewichts- und Volumenersparnis (höhere Energiedichten) und der deutlich geringeren Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit auch eine ausreichende Dichte und ein hohes Schermodul aufweisen, um effektiv das Durchwachsen von Dendriten zu unterbinden.Aktuelle Forschungsarbeiten an industriell relevanten Festelektrolyten innerhalb des AK Janek haben gezeigt, dass es dennoch möglich ist Lithiumdendriten durch diese wachsen zu lassen. Entscheidende Faktoren für die Bildung oder das Ausbleiben von Dendriten sind unter anderem die Temperatur, die angelegten Drücke, die angelegten Stromdichten und die Präparation der verwendeten Lithiummetallfolien (Anode). Die genauen Einflüsse und kritischen Größen dieser Faktoren müssen weiter untersucht und der Mechanismus der Dendritenbildung in Feststoffbatterien aufgeklärt und verstanden werden.Um eine effektive Unterbindung der Dendritenbildung zu erreichen, gibt es die Möglichkeit, neuartige Festelektrolyte zu synthetisieren oder auch die Grenzfläche zwischen Anode und Festelektrolyt mit neuartigen Verbindungen zu modifizieren und zu schützen. (Bild eingereicht von Simon Randau.)

Februar 2019

Angetrieben vom Interesse an leistungsstarken und sicheren Lösungen zur Energiespeicherung rückten in den letzten Jahren vermehrt Feststoffbatterien in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Obwohl moderne sulfidische Lithiumionenleiter Leitfähigkeiten aufweisen, die mit den weit verbreiteten flüssigen Elektrolyten vergleichbar sind, ist die chemische Stabilität dieser Thiophosphate problematisch. Weniger leitfähige oxidische Elektrolyte zeigen hingegen eine überlegene Stabilität im Kontakt zu den Elektrodenmaterialien.Obwohl die symbiotische Kombination von Materialien zu Verbundwerkstoffen für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt wird, stellen Verbundelektrolyte ein in der Forschung vergleichsweise unbearbeitetes Feld dar. Angesichts der individuellen Vorteile der großen Anzahl an bekannten Festelektrolyten erscheint ein solcher Kompositseparator allerdings vielversprechend. Maßgebliche Kennzahl für Separatoren in elektrochemischen Zellen ist deren ionische Leitfähigkeit. In einem ersten Schritt wurde deshalb der Grenzflächenwiderstand zwischen unterschiedlichen Festelektrolyten untersucht. Während das einfache uniaxiale Pressen von Feststoffen nur zu einem unzureichenden Kontakt und daher hohen Grenzflächenwiderständen führt (obere Abbildung), kann die Kontaktfläche zwischen den Komponenten durch die Abscheidung einer Elektrolytschicht über Laserdeposition (PLD – pulsed laser deposition) vergrößert werden.In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Oberflächenbehandlung des Oxids Li7La3Zr2O12 (LLZO) auf den resultierenden Grenzflächenwiderstand gegenüber einem Thiophosphatelektrolyten untersucht. LLZO ist bekannt dafür, auf seiner Oberfläche eine Passivierungsschicht auszubilden, die den Ladungstransfer erschwert. Durch Impedanzspektroskopie konnte der Beitrag der Grenzfläche aufgelöst werden. Das Polieren der Oberfläche führt zu einem Grenzflächenwiderstand von 7 Ω∙cm2 bei Raumtemperatur, während das Heizen der Probe den Ladungstransfer erschwert. Neben einer detaillierteren Analyse der sich entwickelnden Grenzphase wird in den nächsten Schritten ein Doppelschicht-Elektrolyt in eine Feststoffbatterie integriert. (Bild eingereicht von Georg Dewald.)

März 2019

Die Sauerstoffproduktion ist für die Stahl- und chemische Industrie von größter Wichtigkeit. Heutzutage wird es in großem Umfang unter Verwendung kryogener Destillationsverfahren durchgeführt, die volumen- und energieintensiv sein müssen, um rentabel zu sein. Eine durchschnittliche Sauerstoffproduktionsanlage produziert 4000 bis 10000 Tonnen/Tag mit 200 kWh /Tonne. Die Einführung von Oxidleitern hat den Weg für sauerstoffdurchlässige keramische Materialien für energieeffizientere Prozesse geebnet. Die Grundanforderungen sind hohe elektronische und ionische Leitfähigkeiten, thermische und chemische Stabilität. Für die H4erstellung dieser Materialien werden typischerweise hohe Mengen an Edelmetallen wie Pd oder Pt (bis zu 50% V / V) verwendet, um die erforderliche elektronische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Dies macht die Anwendung im großen Maßstab wirtschaftlich nicht rentabel. Eine mögliche Lösung könnte darin bestehen, die Menge des elektronenleitenden Materials durch Herstellung nanostrukturierter Kompositmaterialien zu minimieren. Es wurden mehrere nanostrukturierte poröse YSZ-Dünnfilme hergestellt, die homogen mit 12 nm Pt unter Verwendung der Atomlagenabscheidung beschichtet wurden. Um den Grenzflächenbeitrag zur Defektkonzentration und den katalytischen Effekt der Gegenwart von Pt auf die Sauerstoff-Redoxreaktionen zu bewerten, wurde eine Reihe von mehrschichtigen YSZ-Pt-YSZ-Proben hergestellt. Die so hergestellten Materialien wurden strukturell unter Verwendung von Röntgenbeugung mit streifendem Einfall (GIXRD) und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) charakterisiert. Die polykristallinen Strukturen von Pt und YSZ wurden ebenso bestätigt wie die erwartete Nanostruktur. Elektrochemische Impedanzspektroskopie-Messungen (EIS) werden durchgeführt, um die strukturellen und morphologischen Eigenschaften der Materialien mit dem Ionentransport zu korrelieren und insbesondere den Einfluss der Grenzflächen auf die Transporteigenschaften aufzuklären. (Bild eingereicht von Michele Bastianello.)

April 2019

Cerdioxid ist ein redox-aktives Oxid und weist eine hohe Tendenz zur Bildung von Punktdefekte auf. Unter reduzierenden Bedingungen wird Sauerstoff an die Umgebung abgegeben und Sauerstoffleerstellen erzeugt. Elektroneutralität wird dabei durch die Reduktion zweier tetravalenter Ce-Kationen Ce4+ (CeCe×) to Ce3+ (CeCe′) pro Sauerstoffleerstelle gewährleistet. Diese lokalisierten Elektronen tragen dann über einen aktivierten Sprungprozess als sogenannte kleine Polaronen zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Das Brouwer-Diagramm trifft Vorhersagen über die Ladungs-trägerkonzentration in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck und ist ein gängiges Hilfsmittel, um das Leitfähigkeitsverhalten von nichtstöchiometrischen Oxiden zu erklären, wobei eine konstante Defektbildungsenthalpie angenommen wird. Entgegen der Brouwer-Annahmen zeigen meosporöse Ce0.8Zr0.2O2-δ Filme eine Abnahme der Leitfähigkeit trotz zunehmender Ladungsträgerkonzentration. Die experimentellen Ergebnisse können mithilfe einfacher Statistik bei der Betrachtung des Sprungprozesses der Elektron-Polaronen interpretiert werden. Sobald die Ce3+-Konzentration die Konzentration der Ce4+-Ionen übersteigt, fehlt ein geeigneter Sprungnachbar mit freiem Energieniveau für das betrachtete Polaron. Die Wahrscheinlichkeit des Sprungprozesses wird dadurch eingeschränkt und die elektrische Leitfähigkeit sinkt. Dies wurde bisher in Cerdioxid-basierten Materialien nicht beobachtet und kann in mesoporösen Filmen nur durch die Kombination der Nanostruktur mit der erhöhten Reduzierbarkeit durch die Substitution mit Zr-Ionen erreicht werden. (Bild eingereicht von Kathrin Michel.)

Mai 2019

Juni 2019

Die letztjährige Weihnachtsvorlesung des Fachgebiets Chemie hatte das Thema „Wasser – Das Lebenselixier und seine Chemie“. Das Bild zeigt ein eindrucksvolles Beispiel für die Kraft des Wassers: Eine Flasche mit gefärbtem Speiseöl wird vorsichtig in einen mit Wasser gefüllten Zylinder abgesenkt. Obwohl das Öl eine geringere Dichte als Wasser aufweist, wird es aufgrund der größeren Oberflächenspannung (γ (H2O) = 0,073 N∙m−1 im Vergleich zu γ (Ölsäure)≈ 0,033 N∙m−1) in der Flasche gehalten. Erst wenn ein Tropfen Spülmittel zugegeben wird, fließt das Öl nach oben aus. (Fotos von Heiko Barth (Institut für Didaktik der Chemie) und Bjoern Luerßen (Physikalisch-Chemisches Institut); Bild eingereicht von Bjoern Luerßen.)

Juli 2019

Wiederaufladbare Metall-Sauerstoff-Batterien gelten als eine mögliche Technologie für den Einsatz in zukünftigen Energiespeichern. Besonders Alkalimetall-Sauerstoff-Batterien, wie zum Beispiel Lithium-Sauerstoff-Batterien, stehen vor allem wegen ihrer hohen theoretischen Energiedichte im Fokus von Industrie und Forschung. Da das während des Entladens gebildete Lithiumperoxid als Feststoff an der Kathodenstruktur ausfällt, spielen das Kathodendesign und das Verständnis über den Wachstumsmechanismus eine entscheidende Rolle, um eine maximale Energiedichten zu erzielen. Aus diesem Grund wird im BMBF-Verbundprojekt MeLuBatt – in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES) der TU Braunschweig und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Oldenburg – derzeit das Wachstumsverhalten des Entladeprodukts in der Kathode von Lithium-Sauerstoff-Batterien untersucht. Das REM-Bild zeigt eine vergrößerte Kohlenstofffaser der Kathode, auf der sich toroidähnliche Li2O2-Partikel gebildet haben. Die Größe und Partikeldichte dieser Toroide ist dabei stark von der Verfügbarkeit an gelöstem Sauerstoff im Elektrolyten abhängig: Bei größerer Sauerstoffverfügbarkeit (auf der O2-Reservoirseite; oben im Bild) werden wenige, dafür aber deutlich größere Toroide gebildet, während tiefer im Elektrolyten (auf der Separatorseite; unten im Bild) die Toroide kleiner sind, jedoch in einer größeren Dichte aufwachsen. Das Diagramm verdeutlicht schematisch, wie die Größe und Dichte der Toroide von der O2-Verfügbarkeit im Elektrolyten, entlang einer Kohlenstofffaser, abhängen. (Bild eingereicht von Julian Kreißl, Daniel Langsdorf und Daniel Schröder).

August 2019

Die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) ist eine Methode zur Charakterisierung einer Probenoberfläche, bei er eine Spitze nahe über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird. Durch Messung der atomaren Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche anhand der Auslenkung der Spitze lassen sich Informationen über die Topographie der Oberfläche gewinnen oder aber auch die magnetischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche bestimmen. Das Bild zeigt links die mittels AFM untersuchte Topographie einer Kathode für Lithium-Ionenbatterien, wobei als Aktivmaterial Sekundärpartikel von Li(Ni,Co,Mn)O2 mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern in Kohlenstoff eingebettet sind. In der rechten Aufnahme wurde während der AFM-Messung eine elektrisch leitfähige Spitze verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit der Kathode an der Oberfläche zu untersuchen. Deutlich zu erkennen ist die Wirkung des Kohlenstoffs als Leitadditiv, da ein elektrischer Strom hauptsächlich Bereich des Kohlenstoffs gemessen wird. (Bild eingereicht von Miguel Wiche und Matthias Elm)