Mikrostruktur von Lithium-Mangan-Oxid
Microstructure of Lithium Manganese Oxide
by Johannes Maier
Date of Examination:2016-12-06
Date of issue:2017-04-20
Advisor:Dr. Carsten Nowak
Referee:Prof. Dr. Cynthia A. Volkert
Referee:Prof. Dr. Uwe Schröder
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6262
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Abstract
English
Local ion-transport processes in active materials of lithium-ion batteries like lithium manganese oxide are essential influenced by the microstructure but is not yet well characterised. Atom probe tomography, a method combining sub-nanometer spatial resolution with sub-parts-per-thousand chemical resolution, is routinely used for the characterisation of microstructures and has the advantage of element independent detection efficiencies of lithium and manganese. For the characterisation of lithium manganese oxide an in house constructed laser-assisted atom probe was installed and is described in this thesis. Herein, results of structural and chemical defects such as foreign phases, twins and local variation of the lithium content are presented and their influences on the local transport properties are discussed. Due to the high mobility of lithium ions in lithium manganese oxide the influence of the measurement itself on the spatial distribution was verified by a parameter study. In defect free regions lattice planes of lithium manganese oxide are reconstructed for the first time, demonstrating the high spatial resolution of the method. Thus, the results demonstrate the necessity of local analysis for under-standing local processes and atom probe tomography provides a key access to the 3D microstructural characterisation.
Keywords: Lithium Manganese Oxide; LMO; atom probe tomography; microstructure; defects; electrochemistry; energy storage; lithium ion batteries
German
Die Transporteigenschaften des lokalen ionischen Transports in Aktivmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien, wie Lithium-Mangan-Oxid, sind entscheidend durch die Mikrostruktur des Materials beeinflusst. Die 3D-Charakterisierung dieser Mikrostruktur stellt eine hohe Anforderung an die Nachweisbarkeit von Lithium. Dafür eignet sich besonders die Atomsondentomographie: Eine Methode mit sub-Nanometer räumlicher Auflösung bei gleichzeitiger chemischer Auflösung im sub-Promillebereich und einer elementunabhängigen Nachweisbarkeit für Lithium und Mangan. Für die Analyse des Lithium-Mangan-Oxids wurde eine Laser-unterstützte Atomsonde aufgebaut, deren charakteristischen Eigenschaften in dieser Arbeit beschrieben sind. Durch eine Parameterstudie wurde gezeigt, dass insbesondere die räumliche Verteilung des Lithium im statischen Zustand mit dieser Methode analysiert werden kann. Lokale strukturelle und chemische Defekte, wie Fremdphasen, Zwillinge und lokale Variationen im Lithiumanteil wurden nachgewie- sen und deren Einfluss auf die Transporteigenschaften diskutiert. Durch die erstmalige Rekonstruktion von Netzebenen des Lithium-Mangan-Oxid in defektfreien Bereichen wird die hohe Ortsauflösung der Methode demonstriert. Die Ergebnisse demonstrieren die Notwendigkeit der lokalen Analyse zum Verständnis der lokalen Prozesse, wobei die Atomsondentomographie einen entscheidenden Beitrag zur 3D-Charakterisierung der Mikrostruktur liefert.
Schlagwörter: Lithium-Mangan-Oxid; LMO; Atomsondentomographie; Mikrostruktur; Defekte; Elektrochemie; Energiespeicher; Lithium-Ionen Batterien
