Tobias Arlt

Interfacial Processes and Influence of Composite Cathode Microstructure Controlling the Performance of All-Solid-State Lithium Batteries

All-solid-state lithium-ion batteries have the potential to become an important class of next-generation electrochemical energy storage devices. However, for achieving competitive performance, a better understanding of the interfacial processes at the electrodes is necessary for optimized electrode compositions to be developed. In this work, the interfacial processes between the solid electrolyte (Li10GeP2S12) and the electrode materials (In/InLi and LixCoO2) are monitored using impedance spectroscopy and galvanostatic cycling, showing a large resistance contribution and kinetic hindrance at the metal anode. The effect of different fractions of the solid electrolyte in the composite cathodes on the rate performance is tested. The results demonstrate the necessity of a carefully designed composite microstructure depending on the desired applications of an all-solid-state battery. While a relatively low mass fraction of solid electrolyte is sufficient for high energy density, a higher fraction of solid electrolyte is required for high power density.

(Electro)chemical expansion during cycling: monitoring the pressure changes in operating solid-state lithium batteries

Solid-state lithium-ion batteries (SSBs) are a promising concept for future energy storage applications. Interestingly, the mechanical effects during operation of SSBs, and their correlation to the electrochemical performance, have rarely been investigated. In such systems, the rigid mechanical coupling between the active phases and the solid electrolyte will lead to more complex non-local strain effects than in the common liquid electrolyte-based lithium-ion batteries, where the chemical expansion or compression of the active phases is accommodated by the liquid electrolyte, and only local mechanical strain within the electrode particles exists. In this work we report on the pressure and height changes within typical solid-state batteries, which were measured in situ during galvanostatic cycling conditions. The continuous volume changes of both the anode and the cathode during lithiation/delithiation are responsible for a highly reproducible cycle of pressure changes during the operation of the solid-state battery cell. Bending and cracking of the solid-state battery cells are observed with X-ray tomography and provide evidence for the critical role of the macroscopic strain generated during cycling. Furthermore, these pressure and dilatometry measurements as well as X-ray tomography underline the importance of external confinement and pressure control for SSBs.

Röntgen-Kanten-Tomografie und -Radiografie zur Untersuchung von Alterungseffekten in Brennstoffzellenmaterialien

Kurzfassung Die Korrosion von Ruthenium ist eine der Hauptursachen für die Alterung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC). Mittels monoenergetischer Synchrotronstrahlung wird gezeigt, dass der in DMFC-Anoden enthaltene Co-Katalysator Ruthenium nach einem beschleunigten Alterungstest eine Umverteilung in der Anodengasdiffusionselektrode zwischen Bereichen unter Kanälen und unter Stegen erfährt und von der Anode zur Kathode gelangt. Für die tomographischen Untersuchungen wurden Proben aus einer gealterten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) herauspräpariert und ex situ untersucht. Es wird gezeigt, dass diese Umverteilungen auf den Stofftransport in der MEA und die Struktur der Gasdiffusionsschicht (GDL) zurückgeführt werden können.

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.

Hochortsauflösendes, großflächiges Neutronen-Detektorsystem für die Brennstoffzellenforschung

Kurzfassung Die speziellen Eigenschaften von Neutronen, insbesondere die hohe Sensitivität für Wasser sowie die Fähigkeit, viele metallische Komponenten zu durchdringen, macht die Neutronenradiografie zum attraktiven Werkzeug für die Brennstoffzellenforschung. Die detaillierte Untersuchung des Wasserhaushalts erfordert eine hohe Ortsauflösung des Detektors sowie ein flexibles und großes Abbildungsfeld. Bislang schränkte die geringe räumliche Ortsauflösung konventioneller Detektorsysteme die Detailtiefe bei der Wiedergabe von Wasserverteilungen in Zellen stark ein. Spezielle hochauflösende Detektorsysteme hingegen ermöglichen nur die Abbildung kleinster Teilbereiche der Zelle. Am Helmholtz-Zentrum Berlin wurde ein Detektorsystem entwickelt, das beide Grundforderungen erfüllt: Ein neuartiger Gadox-Szintillator ermöglicht eine deutlich verbesserte Ortsauflösung von max. 25 μm. Das verwendete Kamerasystem mit einem 4096×4097-Pixel-CCD-Sensor ermöglicht ein großes und flexibles Abbildungsfeld, z.B. 61,44×61,44 mm2 beim 1:1-Abbildungsmaßstab. Mit diesem System lassen sich Brennstoffzellen großflächig und mit hoher Auflösung untersuchen.

Rekonstruktion limitierter CT-Messdatensätze von Brennstoffzellen mit Directt

Kurzfassung Die Aufklärung spezifischer Fragestellungen zur Funktionalität von PEM(polymer electrolyte membrane)- und DMFC(Direct Metha- nol)-Brennstoffzellen bedarf der 3D-Abbildung der spezifischen Komponenten mit unterschiedlichen Strahlungsarten: des Wassergehalts in den Flow Fields mit Neutronen, der Katalysator-Alterung in der MEA (membrane electrode assembly) mit Synchrotronstrahlung und der freien (reaktiven) Katalysator-Oberfläche von Nano-Partikeln mit TEM-Elektronen-Tomografie. Diese Messungen im Bereich der mm- bis nm-Skala unterliegen dabei erheblichen Restriktionen: einer ortsabhängigen Verschmierung der Neutronenradiogramme, Manipulatorinstabilitäten der Synchrotronmessungen sowie einer Kombination von Limited-View-Datensätzen, wenigen Projektionswinkeln und teilweiser Nichtdurchstrahlbarkeit in der Elektronen-CT. Die Vorteile eines fortentwickelten Directt-Algorithmus für die Bewältigung dieser Randbedingungen gegenüber gefilterten Rückprojektionen werden aufgezeigt.

Röntgen- und Neutronentomographie am knöchernen Innenohr der Bartenwale

Kurzfassung Für die Orientierung in den Tiefen der Ozeane entwickelten Wale und Delphine im Laufe der Evolution ein spezialisiertes Hörorgan für ein breites akustisches Spektrum. Die innere Anatomie des Felsenbeins (Perioticum), insbesondere die Morphologie der Hörschnecke (Cochlea) hat bei Säugetieren einen signifikanten Einfluss auf das Hörvermögen. Mittels Röntgen- und Neutronentomographie wird die knöcherne oder fossilisierte Cochlea verschiedener fossiler Repräsentanten ausgestorbener Bartenwalgruppen (wie der Cetotheriidae) sowie moderner Furchenwale (Balaenopteridae) und Glattwale untersucht, ebenso die eines Urwals und einiger Landwirbeltiere. Morphologische Veränderungen, die für die Entwicklung des niederfrequenten Hörens verantwortlich sein können, sollen so erfasst werden. Unterschiede in der Cochlea-Morphologie werden anhand morphometrischer Parameter, wie der Anzahl der Windungen, der Länge der Cochlea und des Krümmungsverlaufs des Cochleakanals bestimmt. Insbesondere die Röntgentomographie ermöglicht eine hochauflösende Darstellung des knöchernen Innenohrs.