Entwicklung der Zukunft von Energieumwandlung und -speicherung

• Optische Mikroskopie: Deckt alle typischen Anwendungen der optischen Prüfung und Analyse unter Verwendung von Aufrecht-, Invert-, Zoom-, Digital- und Konfokalsystemen ab. Hilfreich für die Probenvorbereitung, die Schnellprüfung oder die großflächige Abbildung von Querschnitten.
• Elektronenmikroskopie: Bietet ultrahohe Auflösung für die Visualisierung von Materialoberflächen im Nanobereich. Liefert verschiedene Arten von Signalen (SE, BSE) und ist häufig mit einem EDX-Detektor zur Elementaranalyse ausgestattet.
• FIB-SEM-Mikroskopie: Erweitert die SEM-Analyse durch den Einsatz eines Gallium-fokussierten Ionenstrahls zum gezielten Materialabtrag bis unter die Oberfläche. Ermöglicht standortspezifische Querschnitte, serielle 3D-Tomographie mit Imaging und Analyse sowie die Vorbereitung von Proben für andere Verfahren wie die nanoskalige Röntgenmikrotomographie (XRM). Durch die Kombination von FIB-SEM mit einem Femtosekundenlaser (fs) decken Forscher ein breites Spektrum an Anforderungen im Bereich der Materialabtragung ab.
• 3D-Röntgenmikroskopie: Ermöglicht zerstörungsfreies 3D-Imaging mittels hochauflösender Röntgentomographie sowohl im Mikro- als auch im Nanobereich. Ermöglicht einen Blick ins Innere von Energiespeichern – im Ursprungszustand oder während Lade-Entlade-Zyklen. Erlaubt die Erstellung von 3D-Karten der Elektrodenmorphologie für detaillierte Parametermessungen oder elektrochemische Modellierungen.

Das ZEISS Portfolio für Mikroskopielösungen ist auf drei zentrale Herausforderungen bei der Charakterisierung ausgelegt, mit denen Forscher, die sich mit elektrochemischen Materialien und Geräten befassen, häufig konfrontiert werden:

• Mehrskalige Bildgebung: Viele elektrochemische Systeme weisen hierarchische Strukturen auf, deren wesentliche Merkmale sich von der Makro- bis zur Nanoskala erstrecken. Das umfangreiche Portfolio an optischen, Elektronen- und Röntgenmikroskopen von ZEISS ist nicht nur darauf ausgelegt, diesen vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, sondern unterstützt Forscher auch dabei, ihre Proben und Bilddaten miteinander zu verknüpfen, um koordiniert und sinnvoll mit den verschiedenen Längenskalen und Geräten umgehen zu können.
• 3D-Charakterisierung: Die komplexen Strukturen, die in Energiematerialien (Elektroden, Mehrschichtsystemen, porösen Materialien) vorkommen, sind in der Regel dreidimensional. Daher kann es entscheidend sein, mit bildgebenden Verfahren zu arbeiten, die diese Komplexität widerspiegeln und erfassen. ZEISS bietet 3D-Röntgenmikroskopie im Mikro- und Nanobereich sowie FIB-SEM-Tomographieverfahren an, um sicherzustellen, dass die Strukturen von Materialien in allen drei Raumdimensionen sichtbar werden.
• In-situ- und In-operando-Versuche : Um besser zu verstehen, wie sich ein Material in einem bestimmten Gerät verhält, möchten Wissenschaftler häufig beobachten, wie Mikrostrukturen unter realen Betriebsbedingungen (Zyklen, Alterung usw.) oder unter herbeigeführten Reizen bzw. Belastungen (thermisch, elektrisch usw.) reagieren. Das ZEISS Portfolio für Mikroskopielösungen bietet eine Vielzahl von In-situ- und In-operando-Konfigurationen, die solche Arbeitsabläufe auf einfache Weise ermöglichen.

Das ZEISS Portfolio für Mikroskopielösungen deckt die Anforderungen an die Bildgebung für elektrochemische Geräte ab, darunter:

• Lithium-Ionen-Akkus: ZEISS Mikroskope decken den gesamten Bedarf an Charakterisierungsverfahren für Lithium-Ionen-Batterien ab – von der Untersuchung der Rohpulver über die Elektrodenmorphologie bis hin zu intakten und funktionsfähigen Zellen. Mikroskopische Daten können Aufschluss sowohl über herkömmliche chemische Zusammensetzungen (auf Basis von Ni, Mn, Co und Graphit) als auch über neuartige Varianten mit Zn, Na, S, Silizium und weiteren Elementen geben.
• Festoxid-Brennstoffzellen: Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen (und Elektrolyseure) weisen komplexe Elektrodenmorphologien im Nano- und Mikrobereich auf. Mithilfe von nanoskaliger XRM und FIB-SEM-Tomographie lassen sich realistische 3D-Bildvolumina dieser diskreten Strukturen erfassen.
• Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM): PEM-Brennstoffzellen enthalten komplexe und hochporöse Elektrodenstrukturen, die aus Partikel- und Fasergeometrien bestehen. Das zerstörungsfreie Imaging, wie es beispielsweise das mikroskalige Röntgenmikroskop ZEISS Versa ermöglicht, ist entscheidend für das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Strömung und elektrochemischen Reaktionsprozessen in 3D.

ZEISS Röntgenmikroskope eignen sich ideal für die nichtinvasive, zerstörungsfreie Abbildung des Inneren intakter Zellen. Mithilfe der Tomographie-Technik erzeugen diese XRM-Systeme hochauflösende 3D-Bilder der Verteilung von Partikeln, Poren, Elektrodenschichten, Membranen und vielem mehr, ohne dass das Gerät dazu zerlegt werden muss. Dadurch lassen sich funktionsfähige Geräte mehrfach untersuchen, beispielsweise vor und nach Ladezyklen oder nach längerem Betrieb, oder sogar in situ beobachten, um die Struktur unter realen Betriebsbedingungen sichtbar zu machen.