In-situ und Operando-Strukturuntersuchungen an elektrochemischen Systemen

Forschung aktuell

© Fraunhofer IKTS
Am IKTS entwickelte elektrochemische operando- XRD-Zelle.
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Röntgenographische Untersuchung der Phasenzusammensetzung während der elektrochemischen Li/Na-Substitution in LiCoO2.

Elektrochemische Prozesse und Systeme gelten als Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Produktions- und Energiewirtschaft. Dazu zählen innovative Beschichtungsverfahren sowie elektrochemische Energiespeicher und -wandler. Eine wissensbasierte Entwicklung und Optimierung derartiger Systeme verlangt ein tiefgreifendes Verständnis der ablaufenden Reaktions- und etwaiger Degradationsprozesse. Insbesondere In-situ- und operando-Strukturuntersuchungen mittels Röntgenbeugung (XRD) erlauben, durch die komplementären elektrochemischen und Strukturinformationen, eine detaillierte Aufklärung von Reaktionsmechanismen und resultierenden Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen. Am IKTS werden spezifisch angepasste elektrochemische Zellaufbauten (Bild 1) zur komplementären In-situ- und operando-Strukturuntersuchung entwickelt (Bild 2).

 

Funktionale Schichten

 

Die relevanten Eigenschaften elektrolytischer Funktionsschichten werden maßgeblich durch deren Mikrostruktur bestimmt. Am IKTS werden XRD-Untersuchungen zur Aufklärung der mikrostrukturellen Entwicklung während der Herstellung elektrolytischer Funktionsschichten in-situ durchgeführt. Die Messungen erlauben die Bestimmung und Entwicklung von Phasenzusammensetzung und Mikrostrukturparametern wie z. B. Kristallitgröße und Mikrospannungen während der Abscheidung in Abhängigkeit der elektrochemischen Herstellungsbedingungen. Dadurch sind Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für eine gezielte Optimierung ableitbar.

 

Energiespeicher

 

Auch die Entwicklung innovativer elektrochemischer Energiespeicher und -wandler wird am IKTS durch komplementäre operando-Strukturuntersuchungen mittels XRD und Raman-Spektroskopie begleitet. Diese Untersuchungen erlauben ein umfassendes Verständnis zu Mechanismen und Reversibilität struktureller und kompositorischer Veränderungen während des Betriebs. Auf Basis der Erkenntnisse wird die Material- und Designentwicklung von neuartigen Lithium- und Natriumbatterien sowie Hybridsystemen hinsichtlich gesteigerter Leistungsparameter und verbesserter Langzeitstabilität wissensbasiert vorangetrieben.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung und Validierung elektrochemischer Zellaufbauten für In-situ- und operando-Strukturuntersuchungen mittels XRD und Raman-Spektroskopie
  • Berechnung von Phasen- und Strukturparametern
  • Analyse von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

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