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Anwendungen

Batterieforschung

Wiederaufladbare Batterien liefern die Energie für viele elektronische Geräte, die wir jeden Tag verwenden, zum Beispiel Mobiltelefone, Tablets und Laptops. Sie sind auch essenziell für Elektroautos, die sich wachsender Beliebtheit erfreuen. Aufgrund der hohen Nachfrage nach effizienten Energiespeichereinheiten entwickelt die Industrie fortlaufend Batterien mit optimierten Eigenschaften hinsichtlich Ladegeschwindigkeit, Energiedichte und Lebensdauer. WITec Imagingsysteme ermöglichen die umfassende Charakterisierung von Batterien und Brennstoffzellen. Raman-Mikroskopie kann die Verteilung der Elektroden- und Elektrolytmaterialien zeigen und ihre Kristallinität analysieren. Sie kann mit weiteren bildgebenden Verfahren kombiniert werden, zum Beispiel um zusätzlich die Oberflächenstruktur zu untersuchen.

Für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie wurde der Nobelpreis für Chemie 2019 an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino verliehen. Die Forschungsgruppe von John B. Goodenough an der Universität von Texas in Austin (USA) verwendet für ihre Forschung ein WITec alpha300 Raman-Mikroskop.

Viele Produktionsprozesse, beispielsweise in der Halbleiter- oder Automobilindustrie, setzen die Probenverarbeitung unter Schutzgasen wie Stickstoff oder Argon voraus. WITec Mikroskope sind mit automatisierten Komponenten erhältlich, sodass die Geräte per Fernsteuerung in geschlossener Umgebung betrieben werden können (Gray et al. 2020, DOI: 10.1063/5.0006462). Alle Schritte der Raman-Messung werden durch WITecs Suite FIVE Software und den intuitiven EasyLink Controller gesteuert. Sogar automatische Justage und Kalibrierung sind per Knopfdruck möglich.

WITec Raman microscope in a glove box
WITecs voll automatisiertes Raman-Mikroskop alpha300 apyron in einer Glove Box von MBRAUN (Garching).

Anwendungsbeispiele

Raman image of lithium-ion battery
Raman- und Weißlichtbild einer Lithium-Ionen-Batterie wurden überlagert. Die Anode bestand aus Graphit (cyan) und amorphem Kohlenstoff (blau), der Separator aus Polypropylen (gelb) und Polyethylen (grün) und die Kathode aus Lithium-Metalloxid (rot) und amorphem Kohlenstoff (blau). Probe freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Timo Sörgel und Gerhard Schneider (Institut für Materialforschung, Hochschule Aalen)
Raman-SEM image of lithium-ion battery
RISE (Raman-SEM) Bild der Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie nach mehreren Ladezyklen. Wiederholtes Auf- und Entladen führt zu Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Lithium-Metalloxid-Partikel. Probe freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Dean Miller (Tescan USA)
Raman-SEM image of Li(NiMnCo)O2 particles
RISE (Raman-SEM) Bild von Li(NiMnCo)O2 Partikeln. Die verschiedenen Farben repräsentieren unterschiedliche lokale Cobalt- und Nickelkonzentrationen. Das kleine Bild zeigt die Raman-Messung. Die Skala entspricht in beiden Bildern 10 µm. Probe freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Timo Sörgel und Gerhard Schneider (Institut für Materialforschung, Hochschule Aalen)

Korrelative Raman-Mikroskopie

Die vielseitigen Instrumente von WITec kombinieren verschiedene bildgebende Verfahren, um aus den Messdaten möglichst umfassende Erkenntnisse zu gewinnen. Verschiedene Techniken können in einem Gerät miteinander kombiniert werden: konfokale Raman-Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), optische Nahfeld-Mikroskopie (SNOM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Konfokale Raman-Mikroskopie liefert chemische Informationen und Photolumineszenz-Mikroskopie ist mit demselben Aufbau möglich. AFM detektiert Topographie, Struktur und physikalische Eigenschaften wie Steifigkeit und Adhäsion der Probenoberfläche. SNOM dagegen ermöglicht hochauflösende Messungen jenseits der Beugungsgrenze. Zusätzlich sind Erweiterungen für zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) oder prophilometrische Messungen erhältlich. Die Konfigurationen sämtlicher WITec-Instrumente können auf- bzw. nachgerüstet werden, sodass die Systeme jederzeit um neue Analyseverfahren erweitert werden können.


Literatur

Application Note Battery Research


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Wenn Sie mehr über die Möglichkeiten der Raman-Mikroskopie in Ihrem individuellen Anwendungsgebiet erfahren möchten, stehen Ihnen unsere Anwendungsspezialisten gerne für ein Gespräch zur Verfügung.

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