Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

Unsere Forschungsgruppe entschlüsselt die Geheimnisse der Energiespeicherung und -umwandlung durch die direkte Visualisierung elektrochemischer Prozesse in Aktion. Mithilfe von in-situ-Laser-Raster-Mikroskopie (LSM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) erfassen wir dynamische Veränderungen an Fest-Fest-, Fest-Gas- und Fest-Flüssig-Grenzflächen in miniaturisierten elektrochemischen Zellen. Um die Lücke zwischen diesen nanoskaligen Beobachtungen und der makroskopischen Leistung von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu schließen, verwenden wir Kryo-TEM- und fokussierten Ionen-strahl (FIB)-SEM-Tomographie zur Analyse der Zellkomponenten. Dieser multimodale Ansatz ermöglicht es uns, die Mechanismen zu entschlüsseln, die den Ladungstransfer und die Materialdegradation steuern, und diese ganzheitliche Sichtweise ist entscheidend für die Verbesserung der Effizienz und Lebensdauer dieser Technologien.

Wir sind ein dynamisches Forschungsteam, das sich der Lösung der Geheimnisse der Energiespeicherung und -umwandlung auf der Nanoskala widmet. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Mikroskopietechniken wollen wir die Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien revolutionieren.

Festkörper-Batterien ^1,2,3,4

Wir untersuchen die kritischen Schnittstellen innerhalb von Festkörper-Batterien (ASSBs), um zu verstehen, wie die Ladungsübertragung optimiert und ihre Stabilität verbessert werden kann. Unsere in-situ-Techniken, einschließlich Gasphasenerwärmung und (Ent-)Ladung in einem weiten Temperaturbereich, ermöglichen es uns, die Bildung dieser Grenzflächen zu beobachten und das Material- und Grenzflächenverhalten über verschiedene Temperaturbereiche hinweg zu untersuchen. Dies liefert wertvolle Einblicke in die (elektro)chemische Stabilität und Leistung verschiedener ASSB-Komponenten. Wir haben außerdem eine einfache Screening-Methode entwickelt, die auf in-situ-TEM basiert, um die besten Beschichtungsmaterialien für eine verbesserte Leistung zu identifizieren.

Wässrige Batterien ^1,2,3,4

In unserer Forschung zu Beyond-Lithium-Batterien untersuchen wir (Ent-)Ladevorgänge in wässrigen Batterien. Unsere Flüssigphasen-TEM-Studien bieten uns einzigartige Möglichkeiten, die Auswirkungen verschiedener Faktoren auf die Batterieleistung zu verstehen, darunter optimale Lade-Entlade-Routinen, Stromdichte und Massentransportbeschränkungen bei der Ablagerung der Ionen sowie die Rolle von Elektrolytzusätzen bei der Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung. Durch die Beobachtung dieser grundlegenden Prozesse auf der Nanoskala wollen wir neue Strategien entwickeln, um die Herausforderungen, denen sich wässrige Batterien gegenübersehen, zu meistern und ihre Gesamtleistung zu verbessern.

Festoxidzellen ¹

Grenzflächeninstabilität, Katalysatormigration und Katalysatorvergiftung sind die größten Herausforderungen bei Festoxidzellen, die entweder im Festoxidbrennstoffzellenmodus (SOFC) oder im Festoxidelektrolysezellenmodus (SOEC) arbeiten. In unserer Gruppe führen wir Gasphasen-in-situ-TEM-Experimente bei 1 bar Druck durch, um realistische Betriebsbedingungen zu simulieren und zukünftige Elektrodenmaterialien zu bewerten. Die durch diese in-situ-Studien gewonnenen Erkenntnisse liefern in Verbindung mit der FIB-SEM-Tomographie einen ganzheitlichen Blick auf verschiedene zugrunde liegende Mechanismen und führen zu weiteren Verbesserungen dieser Materialien.

PEM und AEM Elektrolyse ¹

Die Niedertemperatur-Wasserelektrolyse mittels Protonenaustauschmembran (PEM) und Anionenaustauschmembran (AEM) hat das Potenzial, zur Schlüsseltechnologie für die nachhaltige Produktion von „grünem“ Wasserstoff zu werden. Einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte unserer Gruppe ist das Verständnis verschiedener Degradationsmechanismen der Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Wir nutzen (Kryo-)FIB-SEM-Tomographie, Kryo-TEM, in-situ-TEM und in-situ-Fluoreszenzmikroskopie-Studien, um das komplexe Zusammenspiel von thermischen, chemischen und mechanischen Abbaumechanismen zu verstehen. Diese Erkenntnisse, gepaart mit theoretischen Studien, zielen auf die Verbesserung der MEA-Technologie ab.

MEMS Herstellung und Hardware Entwicklung

Das Herzstück unserer in-situ-Fähigkeiten sind Geräte, die auf Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS) basieren. Wir sind aktiv an der Entwicklung neuer Hardware und MEMS-Geräte beteiligt und erweitern die Grenzen der in-situ-Mikroskopie. Diese Arbeit wird in enger Zusammenarbeit mit akademischen und industriellen Partnern durchgeführt, um Innovationen zu fördern und die Umsetzung von Forschungsergebnissen in praktische Anwendungen zu beschleunigen.

Live Verarbeitung und Automatisierung

Unser Motto als in-situ-Team besteht darin, eine Live-Verarbeitung der erzeugten Bilder, Beugungen und spektroskopischen Datensätze zu entwickeln, damit die Parameter der Eingangsstimuli während des Experiments selbst angepasst werden können. Dadurch können wir beispielsweise theoretische Wachstumsvorhersagen mit experimentellen Ergebnissen in Echtzeit vergleichen und die Gasumgebung während einer Reaktion dynamisch anpassen. Wir arbeiten auch an der Automatisierung von Instrumenten, um länger dauernde Experimente, einen höheren Durchsatz und eine verbesserte Reproduzierbarkeit zu ermöglichen.

Spezialausstattung

• Laser Scanning Mikroskopie (LSM)
• ZEISS LSM 980
• Leica Stellaris
• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
• JEOL Grand Arm 2
• JEOL F20
• Scanning Elektronenmikroskopie (SEM)
• TESCAN Mira
• Focused Ion Beam (FIB)
• TESCAN Amber X Cryo Plasma
• ZEISS Cryo Crossbeam
• in-situ SEM und TEM Halter
• DENSSolutions B.V. (Climate Infinity, Stream Infinity, Artic, etc.)
• Insight Chips

Ansprechpartner

Dr. Shibabrata Basakkomm. Teamleiter in-situ Electron Microscopy (iEM)Gebäude 10.1 / Raum 202+49 2461/61-9725