Bildgebende Analysemethoden

Das physikochemische Labor verfügt über verschiedene Analysemethoden, die eine hochaufgelöste Darstellung der physikalischen Eigenschaften von festen Materialen erlauben. Diese werden eingesetzt, um die Zusammensetzung von Energiewandlern zu untersuchen. Dadurch können zeitliche Veränderungen und Degradationsphänomene sichtbar gemacht werden. Die so gewonnenen Erkenntnisse können helfen um durch gezielte Auswahl der verwendeten Materialkombinationen und Betriebsparameter die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen.

Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM) mit angeschlossener energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) ermöglicht an einer Probe sowohl die Morphologie als auch die chemische Zusammensetzung gleichzeitig zu untersuchen. Während des Abrasterns der Probe durch den Elektronenstrahl werden Sekundärelektronen aus der Probe herausgelöst, die zur Erzeugung des Mikroskopiebilds genutzt werden. Da die Intensität dieser Sekundärelektronen von der Austrittsarbeit des Materials abhängt, enthält bereits diese Darstellung einen Materialkontrast. Um die Materialien genau zu Identifizieren nutzt man aus, dass der Elektronenstrahl auch elektronische Übergänge in den Atomschalen auslöst, die zur Abgabe von Röntgenstrahlung führen, die für jedes Element ein charakteristisches Energiespektrum aufweist. Durch die Auswertung der spezifischen Röntgenlinien als Falschfarbendiagramm erhält man so eine ortsaufgelöste Darstellung der Elementverteilung.

Bildgebende Analysemethoden

Die Abbildung zeigt eine kombinierte REM/EDX-Messung an einer Schichtelektrode einer Lithiumbatterie. Die Elektrode besteht aus Lithiumnickelmanganat, das mit einem Leitruß vermischt ist. Die einzelnen Schichten der Elektrode sind durch Aluminiumplatten getrennt. Die überlagerte Elementverteilung, die mittels EDX bestimmt wurde, erlaubt die Identifizierung der Lithiumnickelmanganat-Partikel anhand des Mn/O-Signals sowie des Leitrußes anhand des C-Signals. Am unteren Bildrand ist zudem die scharfe Abgrenzung zum Aluminiumseparator erkennbar. Solche Messungen wurden als Referenz genommen um die Bildung der Deckschicht an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt zu analysieren und dadurch einen Einblick in die Alterungsprozesse von Hochvoltbatterien zu erhalten [1].

Nano-Computertomografie (n-CT)

Mittels Röntgentomografie können dreidimensionale Darstellungen einer Probe mit einer maximalen Auflösung von 500 nm aufgenommen werden. Dazu wird das zu untersuchende Material mit Röntgenstrahlen unter verschiedenen Einfallswinkeln durchleuchtet. Aus den so entstandenen Aufnahmen wird über ein aufwendiges mathematisches Rekonstruktionsverfahren die dreidimensionale Verteilung der Absorption des Materials berechnet. Auf diese Weise kann nicht nur die äußere Form der Probe, sondern auch deren innere Struktur abgebildet werden.

Das Video zeigt eine Untersuchung einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Eine Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly, MEA) bestehend aus zwei Gasdiffusionslagen (GDL) und einer beschichteten Katalysatormembran (Coated Catalyst Membrane, CCM) wurde zwischen zwei Strömungsfeldplatten verpresst. Die MEA wurde zwischen den Platten um 30 % komprimiert. Die Breite der Kanäle und Stege der Strömungsfeldplatten beträgt für beide Seiten 1 mm. Um zu untersuchen, welchen mechanischen Einfluss die Verschiebung der Strömungsfeldplatten auf die CCM hat wurden zwei Fälle verglichen: Zum einen wurden die Stege maximal gegeneinander verschoben (im Video links) während im Referenzfall die Stege exakt übereinander positioniert wurden (im Video rechts). In den virtuellen Querschnitten durch die Zellen kann man erkennen, dass die GDL mit steigender Verschiebung immer weiter in den Strömungskanal eindringt, wobei sich die CCM immer stärker wellt [2]. Durch die resultierenden mechanischen Spannungen besteht die Gefahr im Langzeitbetrieb Risse in der Membrane auftreten, die zu einem vorzeitigen Verschleiß der Zelle führen können. Für den Referenzfall bleibt die MEA dagegen im Mittel im Punkt der maximalen Eindringung (Kanalmitte) unkomprimiert. Solche Untersuchungen können dazu dienen, die Geometrie der Brennstoffzellen und der Strömungsplatten zu optimieren.

Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) dient zur Abbildung der Oberflächentopografie. Hierzu wird eine mikrostrukturierte Spitze über die Oberfläche gerastert, während die Probe mittels Piezoaktuatoren so verfahren wird, dass die Kraft zwischen Probe und Spitze konstant bleibt. Aus der Bewegung der Probe lässt sich dann ein dreidimensionales Bild der Oberfläche mit einer Auflösung bis in den Sub-Nanometerbereich erstellen. Neben der Topografie lässt sich je nach verwendetem Operationsmodus eine Vielzahl von weiteren Messgrößen während des Abrasterns aufnehmen. Durch die Verwendung von leitenden Spitzen können beispielsweise die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche über Leitfähigkeitsuntersuchungen (Local-Conductivity Atomic Force Microscopy, LC-AFM) oder Potentialmessungen (Scanning Kelvin Probe Force Microscopy, SKPM) abgebildet werden.

Bildgebende Analysemethoden

In der Abbildung ist eine kombinierte Topografie- und Leitfähigkeitsmessung an Strontiumtitanat gezeigt, einem Modellmaterial für Festoxidbrennstoffzellelektroden. Vor der Messung wurde der Kristall unter reduzierenden Bedingungen geheizt und die AFM-Messung wurde in situ unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt um eine Kontamination der Oberfläche zu vermeiden. Es ist zu erkennen, dass die Oberfläche sehr flach ist und sich Terrassen mit einer Höhe im Bereich der Gitterkonstante ausgebildet haben. Das simultan aufgenommene Stromsignal (LC) zeigt, dass das Festoxid durch die Reduktion elektronisch leitend geworden ist, und die Voraussetzung für die Verwendung als Elektrodenmaterial erfüllt. Mit hochaufgelösten Messungen der lokalen Stromverteilung, in denen sogar einzelne Atome erkennbar sind, wurde gezeigt, dass die Reduktion in dem Material nicht homogen abläuft, sondern das sich leitende Kanäle entlang von Versetzungen, die sehr leicht reduzierbar sind, ausbilden [3]. Diese Untersuchungen können helfen um den Einfluss von strukturellen Defekten oder Korngrenzen auf die Funktion einer Brennstoffzelle zu verstehen.

Optische Mikroskopie (OM)

Um kleine Strukturen im Mikrometerbereich sichtbar zur machen, wird optische Auflicht-Mikroskopie eingesetzt. Hierbei stehen die verschiedenen Abbildungsverfahren Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast sowie Differentialinteferenzkontrast zur Verfügung. Durch die Auswahl von Objektiven mit unterschiedlicher Vergrößerung können sowohl Übersichts- als auch Detailbilder aufgenommen werden. Der Probentisch kann automatisiert verfahren werden um Aufnahmen mit erweiterter Tiefenschärfe oder Topografiebilder aufzunehmen.

Bildgebende Analysemethoden

Als Beispiel sind Aufnahmen an einem elektroreduzierten Yttrium-dotierten Zirkondioxidkristall gezeigt. Dieses Material ist ein guter ionischer Leiter und wird daher unter anderem als Elektrolyt in Festoxidbrennstoffzellen eingesetzt. Unter hohen elektrischen Feldern und reduzierenden Bedingungen kann es jedoch zu Reduktionsphänomenen kommen, die das Material lokal verändern und in einen elektronischen Leiter umwandeln. Um solche Prozesse sichtbar zu machen, wurde über zwei kreisförmige Platinelektroden ein Strom in den Kristall induziert, woraufhin sich in dem Bereich zwischen den Elektroden eine Verfärbung des Materials und eine Veränderung der Oberfläche ergeben hat. Diese Veränderungen konnten mittels Phasenkontrastmikroskopie untersucht werden. Das Bild a) zeigt eine Übersicht des elektroreduzierten Bereichs während die Vergrößerungen c-d im Bereich von Anode bzw. Kathode zeigen, dass sich eine charakteristische Streifenstruktur entlang der Kristallachsen ausgebildet hat [4].

Literatur

[1] Klaus Wedlich, Untersuchungen zur Deckschichtbildung auf LiNi0,5Mn1,5O4-Hochvoltkathoden, Dissertation RWTH Aachen University (2017)
https://doi.org/10.18154/RWTH-2017-07889

[2] Eugen Hoppe, Holger Janßen, Martin Müller, Werner Lehnert, The impact of flow field plate misalignment on the gas diffusion layer intrusion and performance of a high-temperature polymer electrolyte fuel cell, Journal of Power Sources, 501, 230036 (2021)
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230036

[3] Christian Rodenbücher, Dominik Wrana, Thomas Gensch, Franciszek Krok, Carsten Korte, Krzysztof Szot, The Electronic Properties of Extended Defects in SrTiO3—A Case Study of a Real Bicrystal Boundary, Crystals, 10, 665 (2020)
https://doi.org/10.3390/cryst10080665

[4] Christian Rodenbücher, Kristof Szot, Dominik Wrana, Benedykt R. Jany, Franciszek Krok, Carsten Korte, Localized electrochemical redox reactions in yttria-stabilized zirconia single crystals, J. Phys.: Energy, 2, 034008 (2020)
https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab6b39

Letzte Änderung: 19.01.2023