Applications such as electric vehicles (EVs) and grid storage are driving market growth in battery technology. But several important materials challenges need to be overcome before next-generation batteries become standard in these areas.
Energiematerialien

Mehrskalige Bildgebung von Batterien

Einsatzbereiche wie Elektrofahrzeuge (E-Fahrzeuge) und Netzspeicher tragen zum Wachstum des Batteriemarktes bei. Doch bevor Batterien der nächsten Generation in diesen Einsatzbereichen zum Standard werden, müssen noch viele Herausforderungen der Materialtechnik bewältigt werden. Insbesondere bestehen Sicherheitsbedenken aufgrund der Entflammbarkeit bestimmter Elektrolyten und der hohen Aktivität von Batteriezellen in E-Fahrzeugen und tragbaren elektronischen Geräten.  

Optimierung der Batterien durch Verständnis ihrer Struktur in verschiedenen Größenordnungen

Im Mittelpunkt der modernen Batterieforschung steht die Verbesserung der Leistungsdichte durch neue Elektrodendesigns. Die Mikrostruktur dieser Elektroden hat maßgeblichen Einfluss auf deren Leistung wie auf die Reichweite von E-Fahrzeugen und die Stromaufnahmefähigkeit der Batterien. Veränderungen, die im Lauf der Zeit in der Elektrode auftreten, bestimmen Lebensdauer und Stabilität: Dendriten- und Rissbildung können beispielsweise zu einem vorzeitigen oder katastrophalen Ausfall einer Batterie führen. Im Hinblick auf Sicherheit sind Qualitätskontrollen zur Identifizierung von Massendefekten wie Fremdpartikel und Dendriten unverzichtbar.

Um die Leistung für eine bestimmte Anwendung zu optimieren und einen frühzeitigen Ausfall zu verhindern, müssen Batterien in mehreren Größenordnungen untersucht werden. Dies betrifft die Zusammensetzung, die kristalline Gitterstruktur und die Mikrostruktur der einzelnen Materialien. Außerdem sind Untersuchungen auf Elektroden- und Packaging-Ebene erforderlich, um die Gesamtintegrität und das Gehäuse der Zelle zu verstehen. Die genauesten Ergebnisse werden mit in situ mit mehrskaligen Analysen erzielt, bei denen die Probe unbeschädigt bleibt.

Das zerstörungsfreie Imaging von Batterieelektroden ist entscheidend

Das zerstörungsfreie Imaging einer Batteriezelle muss in verschiedenen Größenordnungen möglich sein, ohne dass dabei die Struktur beeinträchtigt wird. Batteriezellen reagieren jedoch empfindlich auf Luft, daher ist diese Aufgabe alles andere als einfach. Die komplexe Probenpräparation, wie das Schneiden, Öffnen, Demontieren und Befestigen, erschwert die Analyse zusätzlich.

Die Lösungen von ZEISS Microscopy helfen Ihnen, diese dringenden wissenschaftlichen Herausforderungen im Bereich der Batterietechnologie zu bewältigen. Wenn Sie Batteriezellen in verschiedenen Größenordnungen ohne Beeinträchtigung der Batterieintegrität oder -struktur untersuchen möchten, benötigen Sie zerstörungsfreie Röntgenmikroskopie. Sie ermöglicht hochauflösende Bilder, ohne dass empfindliche Komponenten mit Luft in Kontakt kommen. Das In-situ-Imaging liefert wichtige Einblicke in alterungsbedingte Veränderungen, Fehlerarten und Defekte und bewahrt die Batterie für die weitere Analyse im Rahmen korrelativer und mehrskaliger Workflows.

Nächste Schritte

ZEISS bietet ein umfassendes Portfolio korrelativer Lösungen für zerstörungsfreie Bildgebung entlang unterschiedlicher Längenskalen in 2D, 3D und 4D.

Anleitungsvideo

  • Zerstörungsfreie hochauflösende Bildgebung von Batterien mittels Röntgenmikroskopie

Anwendungsbilder

  • Schnittbilder einer Lithium-Ionen-Batterie aus mehreren Quellen

    Schnittbilder einer Lithium-Ionen-Batterie aus mehreren Quellen (Licht-, Elektronenmikroskopie), angezeigt mit der Software ZEN Connect zur Visualisierung, Prüfung und Analyse.

  • Detail einer Lithium-Ionen-Batterie, aufgenommen mit Axio Zoom.V16 für Materialien, Sehfeld: 1,6 mm. Lithium-Ionen-Akku, 112-fach, Hellfeld.

  • XRM-Scans eines intakten Li-Ionen-Akkus vom Typ 18650.

    XRM-Scans eines intakten Li-Ionen-Akkus vom Typ 18650. Die interne Tomografie macht bemerkenswerte Details der Elektrodenstruktur sichtbar, darunter Alterungseffekte, Fremdpartikel und Risse. Xradia 620 Versa, Sehfeld: 14 mm.

  • 3D‑Rendering eines intakten Lithium-Ionen-Akkus vom Typ 18650 mit Röntgenmikroskop Xradia Versa (Maßstabsleiste: 5 mm).

  • Smartwatch-Akku: ZEISS Xradia 620 Versa scannt den intakten Akku, um relevante Bereiche zu identifizieren und für hochauflösende Abbildungen zu vergrößern.

  • Bildgebung und digitale Materialsimulation mit 3D‑Röntgen-Nanotomografie zur Erfassung des Diffusionsverhaltens

    Bildgebung und digitale Materialsimulation mit 3D‑Röntgen-Nanotomografie zur Erfassung des Diffusionsverhaltens in der Kathode einer NMC-Lithium-Ionen-Batterie. Abbildung mit Xradia 810 Ultra Röntgenmikroskop für Bildgebung im Nanobereich. Datenanalyse mithilfe des Batterieanalysemoduls GeoDict von Math2Market GmbH. Abgebildetes analysiertes Volumen: 40 μm × 40 μm × 65 μm.

  • 3D‑Rendering von Elektrodenpartikeln (links) und Porennetzwerk (rechts)

    Das 3D‑Rendering der Elektrodenpartikeln (links) und des Porennetzwerks (rechts) zeigt den Bereich der verbundenen Pore (blau) im Vergleich zur isolierten Porosität (gelb). Die Messung ergab eine verbundenen Porosität von insgesamt 13,9 % und eine Gesamtporosität von 14,4 %. Abbildung mit Xradia Ultra Röntgenmikroskop.

Querschnitt eines Lithium-Ionen-Akkus mit NCM-Kathode
Querschnitt eines Lithium-Ionen-Akkus mit NCM-Kathode

Querschnitt eines Lithium-Ionen-Akkus mit NCM-Kathode

Keramikbeschichteter Separator und Graphit-Silizium-Anode, aufgenommen bei 1 kV

Das Inlens EsB-Signal (rechts) liefert im Vergleich zum Inlens SE-Signal (links) einen verbesserten Materialkontrast zwischen Graphit und Silizium und macht die Keramikbeschichtung auf beiden Seiten des Polymer-Separators sichtbar.


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Downloads

    • 4D Study of Silicon Anode Volumetric Changes in a Coin Cell Battery using X-ray Microscopy

      Dateigröße: 1 MB
    • Integrated SEM and Raman Imaging of Lithium Ion Batteries

      Dateigröße: 2 MB
    • Lichtmikroskopische Qualitätsüberprüfung großformatiger prismatischer Lithium-Ionen-Akkumulatoren

      ZEISS Axio Imager.Z2 Vario

      Dateigröße: 2 MB
    • Multi-scale Characterization of Lithium Ion Battery Cathode Material by Correlative X-ray and FIB-SEM Microscopy

      Dateigröße: 1 MB
    • ZEISS ZEN Intellesis

      Quantitative Microstructural Analysis of State-of-the-art Lithium-ion Battery Cathodes

      Dateigröße: 1 MB