Micromechanical characterization of ceramic solid electrolytes for electrochemical storage devices

Nonemacher, Juliane Franciele; Krüger, Manja; Krupp, Ulrich; Spatschek, Robert

doi:39035

Micromechanical characterization of ceramic solid electrolytes for electrochemical storage devices

Nonemacher, Juliane Franciele

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by M.Sc. Juliane Franciele Nonemacher

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xv, 131 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krüger, Manja (Thesis advisor) ; Spatschek, Robert (Thesis advisor) ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-03-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01627
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/782049/files/782049.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LLZO (frei) ; ceramic (frei) ; mechanical testing (frei) ; micro-pillar (frei) ; solid electroytes (frei) ; solid-state batteries (frei) ; splitting test (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Verwendung von Festkörperbatterie erlaubt einen sicheren Betrieb, besseres Betriebsverhalten hinsichtlich Energiespeicherung, als auch höhere thermische und chemische Stabilität. Außerdem kann für Festkörperbatterie-Elektrolyte eine bessere ionische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität erwartet werden, welches eine sichere Abtrennung von Kathode und Anode gewährleistet und damit potenziell einen langzeitzyklischen Betrieb erlaubt. Jedoch können mechanische Randbedingungen und Betrieb des Elektrolyten unter zyklischer Belastung zu Mikrorissen, Dendrit-Wachstum, sowie strukturellem und mechanischem Versagen führen, welches ultimativ die Batterie-Lebensdauer begrenzt. Die mechanische Zuverlässigkeit des Festkörperelektrolyten ist daher für die Langzeit-Zuverlässigkeit der Festkörperbatterie wichtig. Die vorliegende Promotionsschrift präsentiert eine Studie der mechanischen Eigenschaften vonLi7La3Zr2O12 für die Anwendung als Festkörperelektrolyt auf Mikroskala und eine Korrelation mit den mikrostrukturellen Charakteristika des Materials. Mechanische Untersuchungen basieren auf dem Härteeindruckstest, wobei eine fortschrittliche Mikrosäulen-Test-Methodologie einen Einblick in die Risszähigkeit einzelner Körner erlaubt. Die Resultate betonen die Wichtigkeit sowohl der Material-Mikrostruktur als auch der Test-Belastung, welches Effekte der lokaloffensichtlichen Plastizität veranschaulicht, für höhere Belastungen den lokalisierter Poren. insgesamt ergibt die Kombination von Nano- und Mikro-Härteeindringtests elastischen Modul, Härte und Risszähigkeit hinsichtlich der intrinsischen Materialeigenschaften und der globalen Eigenschaften, wobei die Verwendung von Standard Vickers-Härteeindringtests und desfortschrittlichen Mikrosäulen Spalttests eine Abschätzung von Risszähigkeit von Korn und Effekten im Zusammenhang mit Korngrenzen und Poren erlaubt.

The use of solid electrolytes in solid-state batteries offers safer operation, higher performance in terms of energy storage, as well as high thermal and chemical stability. Furthermore, solid electrolytes are expected to possess enhanced ionic conductivity and mechanical stability that warrants a safer separation of cathode and anode, and hence, potentially permits them to with stand long-term cycling operation. However, mechanical boundary conditions and operation as electrolyte under cyclic loading might still induce micro-cracks, dendrite growth, structural and mechanical failure that ultimately will terminate the battery life. Therefore, the mechanical reliability of solid electrolytes is important to warrant long-term reliability of solid state batteries. In this thesis, aiming at a characterization of reliability and life-time relevant aspects, the mechanical properties of Li7La3Zr2O12 for the application as solid electrolyte are studied on a micro-scale and the correlation to the materials microstructural characteristics. Mechanical investigations are based on indentation testing, yielding elastic modulus hardness and fracture toughness, where the use of an advanced micro-pillar testing methodology permitted to gain insight into the fracture properties of individual grains. The results emphasis the importance of the materials microstructure as well as the used testing loads, which illustrate effects related to the local apparent plasticity, and for larger loads localized pores. Overall, combining nano- and micro indentation testing yields elastic modulus, hardness and fracture toughness with respect to materials intrinsic properties and global properties, where the use of standard Vickers indentation and the novel micro-pillar splitting test permit assessment of the fracture toughness of individual grains and effects related to grain boundaries and pores.

OpenAccess:
PDF
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