In-situ Deinterkalation von Lithiummanganoxid mittels Atomsondentomographie

In Situ Deintercalation of Lithium-Manganese-Oxide with Atom Probe Tomography

by Björn Pfeiffer
Doctoral thesis
Date of Examination:2017-08-30
Date of issue:2017-12-05
Advisor:Dr. Carsten Nowak
Referee:Prof. Dr. Cynthia A. Volkert
Referee:Prof. Dr. Michael Seibt
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6629

 

 

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Abstract

English

The interest in understanding the underlying mechanisms of energy conversion in lithium ion batteries leads to increasing activities in three dimensional characterizing of battery materials with atom probe tomography with atomic resolution. The desired high Li-ion mobility in these materials poses a challenge for atom probe tomography since the high electric field might drive ionic transport during the measurement, thus changing the chemical composition locally. In this work the material system lithium manganese oxide is used. It is shown that the mobility of the lithium at typical atom probe temperatures lower than 100K is limited with the result that no influence on the local chemical composition is expected. Furthermore the high mobility at room temperature is used for the first time to trigger field driven Li-diffusion with subsequent field evaporation. With this an in-situ deintercalation with subsequent reconstruction of the deintercalated structure is possible. On the basis of these results conclusions in relation to inhomogeneous transport in connection with structural changes can be made. The possibilities of determining the diffusion barrier is discussed.
Keywords: Atom Probe Tomography; Lithium-Manganese-Oxide; In Situ Deintercalation; Lithium; Diffusion; Microstructure

German

Das Interesse, die zugrunde liegenden Mechanismen der Energieumwandlung in Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen, führt dazu, dass immer mehr Batteriematerialien mittels Atomsondentomographie dreidimensional und mit bis zu atomarer Auflösung charakterisiert werden. Die für Batterieanwendungen gewünschte hohe Lithiummobilität in solchen Materialien stellt dabei für die Atomsondencharakterisierung eine große Herausforderung dar, weil das vorliegende hohe elektrische Feld möglicherweise einen ionischen Fluss während der Analyse hervorruft und so die chemische Zusammensetzung lokal verändert wird. In dieser Arbeit wird das Materialsystem Lithiummanganoxid genutzt. Hierfür wird gezeigt, dass bei typischen Messtemperaturen der konventionellen Atomsondentomographie unter 100K die Mobilität des Lithiums soweit eingeschränkt ist, dass keine Einflüsse auf die lokale chemische Zusammensetzung zu erwarten sind. Außerdem wird erstmals die hohe Mobilität bei Raumtemperatur genutzt, um feldgetriebene Diffusion des Lithiums mit anschließender Feldverdampfung gezielt hervorzurufen. Dadurch ist es möglich das Lithiummanganoxid in-situ zu deinterkalieren und anschließend die deinterkalierte Struktur zu rekonstruieren. Auf Basis dieser Ergebnisse werden die Rückschlüsse auf inhomogenen Transport in Verbindung mit mikrostrukturellen Veränderungen und die Möglichkeiten zur Ermittlung von Diffusionsbarrieren diskutiert.
Schlagwörter: Atomsondentomography; Lithiummanganoxid; In-situ Deinterkalation; Lithium; Diffusion; Mikrostruktur
 
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