Exploring solid-state batteries on the nanoscale by utilizing electrochemical strain microscopy

  • Lokal hoch aufgelöste Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften von Materialien für Festkörperbatterien mittels "electrochemical strain microscopy"

Schön-Blume, Nino; Hausen, Florian (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Energiespeicher agieren als Katalysatoren für technologischen Fortschritt und stellen eine Schlüsseltechnologie mit Blick auf die Energieversorgung und -speicherung der Zukunft dar. Eine zielgerichtete Materialforschung ist fundamental um die leistungsrelevanten Prozesse und Mechanismen auf einer ausreichend kleinen Skala zu verstehen und so die Neu- und Weiterentwicklung von Energiespeichern voranzutreiben. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn es um die Entwicklung von fortschrittlichen Materialien für neuartige Technologien wie Festkörperbatterien geht. In Festkörperbatterien wird der herkömmliche flüssige Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyten ersetzt, mit dem Ziel die Eigenschaften der Batterie zu verbessern. In dieser Arbeit wurden Materialien für Festkörperbatterien mittels "electrochemical strain microscopy" (ESM) lokal untersucht, um Einblicke in die Materialeigenschaften auf einer bisher unerreicht kleinen Skala zu erhalten. ESM stellt eine relativ neu entwickelte Charakterisierungsmethode dar basierend auf dem Rasterkraftmikroskop (AFM). Bisher kam ESM noch nicht ausgiebig an Materialien für Festkörperbatterien zum Einsatz, weshalb in dieser Arbeit zunächst die der ESMSignalbildung zugrunde liegenden Mechanismen tiefgehend untersucht wurden. Dabei konnten elektrostatische Wechselwirkungen zwischen AFM-Spitze und Probe als der Hauptmechanismus in der Entstehung der ESM-Amplitude identifiziert werden. Darüber hinaus wird ein Zusammenhang zwischen Variationen in der ESM Amplitude, also der periodischen Auslenkung des AFM-Cantilevers, und der lokalen Li-Ionen-Konzentration und Phasenzusammensetzung gefunden. Darauf basierend wird an dem Festkörperelektrolyten Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4) (LATP) mittels ESM festgestellt, dass die Zusammensetzung der Korngrenzen nicht homogen ist, stark von der Sintertemperatur beeinflusst wird und von entscheidender Bedeutung für die globale Ionenleitfähigkeit ist. Zusätzlich wird die Ionenbeweglichkeit durch zusätzliche Grenzflächen beeinflusst, welche durch Zwillingsbildung innerhalb der LATP-Körner entstehen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass ESM es ermöglicht die Ursprünge elektrochemischer Eigenschaften von Materialien auf einer Skala im Nanometerbereich zu charakterisieren und für die Untersuchung von Materialien für Festkörperbatterien geeignet ist.

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