In-situ-Charakterisierung von Elektrodenprozessen in Lithium-Ionen-Batterien


Lithium-Ionen-Batterien befinden sich als wieder aufladbare Energiequellen für transportable elektronische Geräte großmaßstäblich in Gebrauch und werden zudem kontinuierlich weiterentwickelt. Es zeichnet sich ab, dass sie im Transportwesen künftig ebenfalls eine zentrale Rolle spielen werden. Kinetische Prozesse an den Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs spielen dabei eine Schlüsselrolle für ein grundlegendes Verständnis und auch für die Optimierung dieser Batterien. Wir untersuchen die Lithiierung/Deliithierung von Silizium-Elektroden, einem vielversprechenden zukünftigen Anodenmaterial mit hoher Kapazität. Hierzu wird In-situ-Neutronenreflektometrie mit elektrochemischen Methoden (Zyklische Voltammetrie, Elektrochemische Impedanzspektroskopie) kombiniert. Aus den komplementären Ergebnissen erwarten wir ein umfassendes Bild der kinetischen Prozesse an negativen Elektroden, welches durch Reaktions-Diffusions-Modelle bestätigt werden soll.

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B. Jerliu et al., J. Power Sources 359 (2017), 415
B.-K.Seidlhofer et al. , ACS Nano 10 (2016), 7458.
B. Jerliu et al., J. Phys. Chem. C 118 (2014), 9395.
B. Jerliu et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 7777.








Lithium-Ionenleiter


Die DFG-Forschergruppe 1277 "Mobilität von Lithium-Ionen in Festkörpern" beschäftigt sich mit der grundlegenden Untersuchung von Diffusionsprozessen in Lithium-Metalloxid-Verbindungen, insbesondere in Modellsubstanzen mit anwendungsorientiertem Charakter zum Einsatz in Li-Ionen-Batterien, elektrochemischen Sensoren und elektrochromen Systemen. Konkret erforschen wir anhand von Modellsystemen (LiNbO3, LiTaO3, LiAlO2, LiGaO2) den Einfluss struktureller Unordnung auf die Ionenleitfähigkeit und die Transporteigenschaften. Ziel ist es, durch Änderung des strukturellen Zustands und die Erzeugung von Grenzflächen die Transportprozesse drastisch zu verändern .


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www.for1277molife.uni-hannover.de

J. Uhlendorf et al., Z. Phys. Chem. 231 (2017), 1423.
E. Hüger et al. , Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014), 8670.
J. Rahn et al., J. Phys. Chem. C 119 (2015), 15557.
J. Rahn et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (2012), 2427.




Diffusionsprozesse auf der Nanometerskala


Reaktionen in fester Phase setzen einen Materietransport über makroskopische Dimensionen voraus. Sind Materialien jedoch im Nanometerbereich strukturiert oder befinden sie sich in einem Nichtgleichgewichtszustand, so ist eine Charakterisierung von Transportprozessen auf der (Sub-)Nanometerskala bis hin zu atomaren Abständen notwendig. Hierzu führen wir Experimente mit Neutronenreflektometrie an Isotopheterostrukturen durch, die solche Messungen erstmals ermöglichen. Zudem lassen sich um Größenordnungen kleinere atomare Beweglichkeiten quantifizieren. Ziel dieser Arbeiten ist es, die atomare Dynamik auf der Nanometerskala besser zu verstehen. Untersuchungen erfolgen vor allem an amorpen und nanokristallinen Festkörpern (Metalle, Keramiken und Halbleiter). Im Zentrum steht derzeit der Aufbau einer Anlage zur in-situ Erfassung von Diffusionskoeffizienten mittels hochintensiver spekularer Reflektometrie .

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  H. Schmidt et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006), 055901.
  E. Hüger et al., Appl. Phys. Lett. 93 (2008), 162104.
  S. Chakravarty et al., Acta Mater. 59 (2011), 5568.
  E. Hüger et al., Nano Lett. 13 (2013), 1237.
  F. Strauß, Phys. Rev. Lett. 116 (2016), 025901.




Mechanismen der Relaxation mechanischer Spannungen in dünnen Metallschichten


Dünne metallische Beschichtungen mit einer Dicke und Korngröße im Nanometerbereich sind wichtig für verschiedenste Bereiche in Wissenschaft und Forschung: Mikroelektronik, Optoelektronik, Datenspeicherung, mikro-elektromechanische Systeme (MEMS), Katalysatoren, abrasive Schichten etc. Die Funktionsweise von Bauteilen in diesen Bereichen hängt kritisch von der Nanostruktur, den physikalischen Eigenschaften und von der Stabilität der Schichten auf geeigneten Substraten ab. Eine wichtige Kenngröße sind Eigenspannungen, die sich oft für bestimmte Schicht/Substratkombinationen entwickeln. Eine unerwünschte Konsequenz hoher Eigenspannungen sind Rissbildung, lokale plastische Deformation und Schichtablösung. Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen thermisch induzierter Spannungsrelaxation und Leerstellenbildung/-annihilation an Grenzflächen und deren modellhafte Beschreibung. Hierzu werden In-situ-Experimente mittels simultaner Röntgenreflektometrie und Röntgendiffraktometrie an Synchrotroneinrichtungen durchgeführt.

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  W. Gruber et al., Phys. Rev. Lett. 107 (2011), 265501.
  W. Gruber et al., Thin Solid Films 565 (2014), 79.
  W. Gruber et al., Appl. Surf. Sci. 368 (2016), 341.


 

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