Exploring solid-state batteries on the nanoscale by utilizing electrochemical strain microscopy

Schön-Blume, Nino; Hausen, Florian; Mayer, Joachim

doi:10.18154/RWTH-2022-01036

Exploring solid-state batteries on the nanoscale by utilizing electrochemical strain microscopy = Lokal hoch aufgelöste Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften von Materialien für Festkörperbatterien mittels „electrochemical strain microscopy“

Schön-Blume, Nino^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nino Schön-Blume, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hausen, Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01036
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/840105/files/840105.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Festkörperbatterien (frei) ; Festkörperelektrolyten (frei) ; atomic force microscopy (AFM) (frei) ; electrochemical strain microscopy (ESM) (frei) ; solid state batteries (frei) ; solid state electrolytes (SSE) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Energiespeicher agieren als Katalysatoren für technologischen Fortschritt und stellen eine Schlüsseltechnologie mit Blick auf die Energieversorgung und -speicherung der Zukunft dar. Eine zielgerichtete Materialforschung ist fundamental um die leistungsrelevanten Prozesse und Mechanismen auf einer ausreichend kleinen Skala zu verstehen und so die Neu- und Weiterentwicklung von Energiespeichern voranzutreiben. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn es um die Entwicklung von fortschrittlichen Materialien für neuartige Technologien wie Festkörperbatterien geht. In Festkörperbatterien wird der herkömmliche flüssige Elektrolyt durch einen Festkörperelektrolyten ersetzt, mit dem Ziel die Eigenschaften der Batterie zu verbessern. In dieser Arbeit wurden Materialien für Festkörperbatterien mittels „electrochemical strain microscopy“ (ESM) lokal untersucht, um Einblicke in die Materialeigenschaften auf einer bisher unerreicht kleinen Skala zu erhalten. ESM stellt eine relativ neu entwickelte Charakterisierungsmethode dar basierend auf dem Rasterkraftmikroskop (AFM). Bisher kam ESM noch nicht ausgiebig an Materialien für Festkörperbatterien zum Einsatz, weshalb in dieser Arbeit zunächst die der ESMSignalbildung zugrunde liegenden Mechanismen tiefgehend untersucht wurden. Dabei konnten elektrostatische Wechselwirkungen zwischen AFM-Spitze und Probe als der Hauptmechanismus in der Entstehung der ESM-Amplitude identifiziert werden. Darüber hinaus wird ein Zusammenhang zwischen Variationen in der ESM Amplitude, also der periodischen Auslenkung des AFM-Cantilevers, und der lokalen Li-Ionen-Konzentration und Phasenzusammensetzung gefunden. Darauf basierend wird an dem Festkörperelektrolyten Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4) (LATP) mittels ESM festgestellt, dass die Zusammensetzung der Korngrenzen nicht homogen ist, stark von der Sintertemperatur beeinflusst wird und von entscheidender Bedeutung für die globale Ionenleitfähigkeit ist. Zusätzlich wird die Ionenbeweglichkeit durch zusätzliche Grenzflächen beeinflusst, welche durch Zwillingsbildung innerhalb der LATP-Körner entstehen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass ESM es ermöglicht die Ursprünge elektrochemischer Eigenschaften von Materialien auf einer Skala im Nanometerbereich zu charakterisieren und für die Untersuchung von Materialien für Festkörperbatterien geeignet ist.

Energy storage devices act as a catalyst for technological advancement and are poised to solve critical questions with regards to the energy supply and storage of the future. For target-oriented research, it is fundamental to understand the processes and mechanisms that determine the performance of electrochemical materials on a sufficiently small scale. This is especially critical, when developing advanced materials for novel technologies like solid state batteries. In solid state batteries the aim is to substitute conventional liquid electrolytes with solid state electrolytes for improved safety and electrochemical properties. In this work, electrochemical strain microscopy was used to probe solid-state battery materials and gain insights into the local properties on an unprecedented scale. Electrochemical strain microscopy (ESM) is a novel technique based on atomic force microscopy (AFM), that so far has not been extensively used on solid state batteries. Subsequently, the underlying signal formation mechanisms were extensively probed and determined to be based on electrostatic interaction between AFM-tip and sample rather than deformation based on Vegard’s Law. It is found that the AC bias induced cantilever reflection also called ESM amplitude, shows distinctive local variations that are linked to the lithium-ion concentration and phase composition. Additionally, it is demonstrated on the solidstate electrolyte Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP), that the grain boundary composition is not homogeneous, is influenced by the sintering temperature and strongly impacts global ion conductivity. Furthermore, it is found that additional interfaces are formed by twinning occurring inside the LATP grains influencing ion migration through the material. This work shows that electrochemical strain microscopy allows enhanced characterization of the origins of electrochemical performance on a relevant scale and is a suitable tool for advanced research of solid-state battery materials.

OpenAccess:
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