Henning Markötter

Morphological Evolution of Electrochemically Plated/Stripped Lithium Microstructures Investigated by Synchrotron X-ray Phase Contrast Tomography

Due to its low redox potential and high theoretical specific capacity, Li metal has drawn worldwide research attention because of its potential use in next-generation battery technologies such as Li-S and Li-O2. Unfortunately, uncontrollable growth of Li microstructures (LmSs, e.g., dendrites, fibers) during electrochemical Li stripping/plating has prevented their practical commercialization. Despite various strategies proposed to mitigate LmS nucleation and/or block its growth, a fundamental understanding of the underlying evolution mechanisms remains elusive. Herein, synchrotron in-line phase contrast X-ray tomography was employed to investigate the morphological evolution of electrochemically deposited/dissolved LmSs nondestructively. We present a 3D characterization of electrochemically stripped Li electrodes with regard to electrochemically plated LmSs. We clarify fundamentally the origin of the porous lithium interface growing into Li electrodes. Moreover, cleavage of the separator caused by growing LmS was experimentally observed and visualized in 3D. Our systematic investigation provides fundamental insights into LmS evolution and enables us to understand the evolution mechanisms in Li electrodes more profoundly.

Preparation and Characterization of Li-Ion Graphite Anodes Using Synchrotron Tomography

We present an approach for multi-layer preparation to perform microstructure analysis of a Li-ion cell anode active material using synchrotron tomography. All necessary steps, from the disassembly of differently-housed cells (pouch and cylindrical), via selection of interesting layer regions, to the separation of the graphite-compound and current collector, are described in detail. The proposed stacking method improves the efficiency of synchrotron tomography by measuring up to ten layers in parallel, without the loss of image resolution nor quality, resulting in a maximization of acquired data. Additionally, we perform an analysis of the obtained 3D volumes by calculating microstructural characteristics, like porosity, tortuosity and specific surface area. Due to a large amount of measurable layers within one stacked sample, differences between aged and pristine material (e.g., significant differences in tortuosity and specific surface area, while porosity remains constant), as well as the homogeneity of the material within one cell could be recognized.

Three-Dimensional Visualization of Gas Evolution and Channel Formation inside a Lithium-Ion Battery

Gas generation within lithium ion batteries (LIBs) gives rise to safety concerns that question their applicability. By employing synchrotron X-ray imaging, the gas and channel evolution occurring in an operating LIB have been directly visualized in their inherent 3D state as a function of discharge and charge. Using the spatial 3D distribution of gas bubbles and channels, the active particles that dictate the performance of a functional LIB were identified and visualized in 3D. Delithiation and lithiation are interpreted as the process of activating particles continuously in a step-by-step way. The present work not only demonstrates the generation and evolution of gas within LIB in 3D, but also reveals the distribution of active particles for the first time. These fundamentally findings presented here shed light on a range of processes that could not previously be characterized in 3D and can provide practical guidance for the design of next-generation LIBs with improved safety.

In Situ Radiographic Investigation of (De)Lithiation Mechanisms in a Tin-Electrode Lithium-Ion Battery.

The lithiation and delithiation mechanisms of multiple-Sn particles in a customized flat radiography cell were investigated by in situ synchrotron radiography. For the first time, four (de)lithiation phenomena in a Sn-electrode battery system are highlighted: 1) the (de)lithiation behavior varies between different Sn particles, 2) the time required to lithiate individual Sn particles is markedly different from the time needed to discharge the complete battery, 3) electrochemical deactivation of originally electrochemically active particles is reported, and 4) a change of electrochemical behavior of individual particles during cycling is found and explained by dynamic changes of (de)lithiation pathways amongst particles within the electrode. These unexpected findings fundamentaly expand the understanding of the underlying (de)lithiation mechanisms inside commercial lithium-ion batteries (LIBs) and would open new design principles for high-performance next-generation LIBs.

In Operando Quantification of Three-Dimensional Water Distribution in Nanoporous Carbon-Based Layers in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

Understanding the function of nanoporous materials employed in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) is crucial to improve their performance, durability, and cost efficiency. Up to now, the water distribution in the nm-sized pore structures was hardly accessible during operation of the cells. Here we demonstrate that phase contrast synchrotron X-ray tomography allows for an in operando quantification of the three-dimensional water distribution within the nm-sized pores of carbon-based microporous layers (MPLs). For this purpose, a fuel cell design optimized for tomographic phase contrast measurements was realized. Water in the pores of the entire MPL was detected and quantified. We found an inhomogeneous distribution of the local water saturation and a sharp boundary between mostly filled MPL and almost empty areas. We attribute the latter observation to the two-phase boundary created because condensation takes place predominantly on one side of the boundary. Furthermore, high water saturation in large areas hints at gas diffusion or transport along preferred three-dimensional paths through the material, therefore bypassing most of the MPL volume. Our approach may contribute significantly to future investigations of nanoporous fuel cell materials under realistic operating conditions.

Diffraction limited microholographic recording for Terabyte optical disk

In the last couple of years the microholographic recording/readout method has come out as a powerful and promising method to overcome the data density limit of the conventional optical disk technology. Multilayer recording is a viable technological solution for high capacity data storage on a rapidly rotating disk media. Development and technological implementation paths are largely similar to those undertaken in DVD and BluRay technology.

Synchrotron-Radiographie und -Tomographie einer PEM-Brennstoffzelle

Abstract Die dreidimensionalen Wasserverteilungen und -transportwege in den Gasdiffusionslagen (GDL) einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle werden bei verschiedenen Betriebsbedingungen analysiert. Die Methode der quasi In-situ-Röntgen-Tomographie wird für eine dreidimensionale Visualisierung der Wasserverteilung sowie der Struktur der GDL genutzt. Basierend auf Ergebnissen dynamischer radiographischer Messungen werden Wassertransportwege aufgefunden und anschließend mithilfe der Tomographie im Detail untersucht. Die Kombination dieser 2D- und 3D-Techniken erlaubt eine Identifizierung der Transportwege durch die GDL. zwei Mechanismen werden auf der Kathodenseite beobachtet: zum einen Wasser, das aus der GDL in den Kanal transportiert wird, und zum anderen Wasser, das in die GDL zurückgedrückt wird.

Dreidimensionale Untersuchung der Wasserverteilung in einer Miniatur-PEM-Brennstoffzelle

Kurzfassung Synchrotronstrahlung wird für tomografische Aufnahmen eingesetzt, um die Wasserverteilung in der Gasdiffusionslage (GDL) von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) zu untersuchen. Die hohe räumliche Auflösung von ca. 10μm bei gleichzeitig großem Sichtfeld ermöglicht die Analyse der Wasseragglomerationen in der porösen Struktur der GDL sowie in den Gasverteilerkanälen. Durch die dreidimensionale Aufnahme der Zelle ist ein umfassender Einblick in den Wassergehalt möglich. Dazu wird die Brennstoffzelle in einem stationären Zustand betrieben und direkt nach dem Betrieb tomografiert. Die Tomogramme können bei verschiedenen Betriebszuständen aufgenommen und analysiert werden. Einblicke in das Zellgefüge sind aus unterschiedlichen Blickwinkeln möglich. Schnittansichten ermöglichen darüber hinaus detaillierte Untersuchungen, insbesondere des Wasserhaushalts in der GDL. Neben der Visualisierung der Wasserverteilung ist somit auch eine Charakterisierung der verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften möglich.

Untersuchung des Einflusses von GDL-Eigenschaften auf den Wasserhaushalt mittels Neutronenradiografie

Kurzfassung Neutronenradiografie wird seit einiger Zeit für Aufnahmen von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) eingesetzt, um während des Betriebs (in situ) die Wasserverteilung sichtbar zu machen. Eine wichtige Anwendung ist die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Eigenschaften der Gasdiffusionslagen (GDL), wie der Porosität, der Hydrophobizität oder der Alterung, auf den Wasserhaushalt. Eine weitere Form der Anwendung ist die Untersuchung von Alterungseffekten. Um die Effekte einer GDL-Alterung zu analysieren, wurde eine Methode zur gezielten Ex-situ-Alterung mit Wasserstoffperoxid entwickelt. Mittels Neutronenradiografie wurde untersucht, wie sich der Wasserhaushalt der Brennstoffzellen durch eine Modifikation der GDL-Eigenschaften verändert.

Hochauflösende Synchrotron-Radiografie

Kurzfassung In-situ-Synchrotron-Radiografie wird eingesetzt, um die Verteilung und den Transport von CO2 und Wasser in Direktmethanol- und Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (DMFCs und PEMFCs) sichtbar zu machen, um so die Eigenschaften der eingesetzten Materialien gezielt optimieren zu können. Bei der Synchrotronradiografie werden vor allem dynamische Prozesse sowohl zeitlich als auch räumlich sehr gut aufgelöst und Vorgänge in einer Brennstoffzelle zerstörungsfrei und nichtinvasiv während des Betriebes sichtbar gemacht. In diesem Artikel wird eine Übersicht über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Synchrotron-Radiografie in der Brennstoffzellenforschung gezeigt. Flüssigkeits- und Gasverteilungen werden sowohl flächig (through-plane) als auch im Querschnitt durch die Zelle (in-plane von Anode zu Kathode) analysiert. Anhand ausgewählter Beispiele werden der Zusammenhang zwischen Mikrostruktur der eingesetzten Materialien und dem Medientransport sowie der Einfluss von Betriebsparametern auf die Medienverteilung dargelegt.