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Anwendung der lokalen elektrochemischen Impedanzspektroskopie zur Untersuchung von Lithium-Ionen-Elektroden

Affiliation
Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie
Harms, Nina

Zur Charakterisierung von Lithium-Ionen-Zellen und -Elektroden werden unterschiedliche Methoden verwendet, die jedoch zumeist über die gesamte enthaltene Elektrodenfläche gemittelte Signale aufnehmen und keine lokal aufgelösten Informationen ermöglichen. Mit dem langfristigen Ziel, Einblicke in die räumliche Verteilung von Prozessen innerhalb einer Lithium-Ionen-Elektrode zu ermöglichen, wurde in dieser Arbeit die lokale elektrochemische Impedanzspektroskopie (LEIS) auf ihre grundsätzliche Anwendbarkeit zur Untersuchung dieser Elektroden überprüft. Da die Methode LEIS traditionell für die Betrachtung von Korrosionsphänomenen in wässrigen Systemen genutzt wird, waren zunächst einige Anpassungen des experimentellen Aufbaus notwendig, die gemeinsam mit den vorausgegangenen Überlegungen dargestellt sind. Anschließend wurde dieser angepasste Aufbau mithilfe mehrerer Voruntersuchungen validiert und die Vergleichbarkeit mit Messungen in einem wässrigen Elektrolytsystem überprüft. 

Darüber hinaus beschäftigt sich diese Arbeit mit zwei unterschiedlichen Fragestellungen, die Lithium-Ionen-Kathoden betreffen. Für die erste wurde der Ladeprozess einer Kompositelektrode mittels LEIS verfolgt. Hierbei wurden anhand des lokalen ohmschen Widerstands und des lokalen Ladungsdurchtrittswiderstands Unterschiede zwischen verschiedenen Positionen auf der Elektrode beobachtbar. Die zweite Untersuchungsreihe umfasste die Betrachtung zweier unterschiedlicher im Vorfeld herbeigeführter Defekte an einer Kompositelektrode. Diese sollten zur weiteren Charakterisierung der Methode und zur räumlichen Orientierung auf der Elektrodenoberfläche verwendet werden - insbesondere durch die Differenz des lokalen ohmschen Widerstands zwischen leitender Elektrode und isolierendem Probenhalter wird dies an einer solchen Grenze ermöglicht. Außerdem konnten aus den erhaltenen Ergebnissen einige Eigenschaften der verwendeten Messspitze präzisiert werden. Insgesamt wurde gezeigt, dass das System nach den erfolgten Anpassungen grundsätzlich für die Untersuchung von Lithium-Ionen-Elektroden im organischen Elektrolytmedium geeignet ist.

Different methods are used for characterization of lithium ion cells and electrodes. However, most of them record signals averaged over the entire electrode surface and do not provide locally resolved information. With the long-term aim of providing insight into the spatial distribution of processes within a lithium ion electrode, this work tested localized electrochemical impedance spectroscopy (LEIS) for its basic applicability for the examination of these electrodes. Since LEIS as a technique is traditionally used for the observation of corrosion phenomena in aqueous systems, some adjustments of the experimental setup were necessary. These are presented together with the preceding considerations. Subsequently, this adapted setup was validated by means of several preliminary investigations, and the comparability with measurements in an aqueous electrolyte system was checked. 

Furthermore, this work discusses two different questions concerning lithium ion cathodes. For the first one, the charging process of such a composite electrode was monitored by means of LEIS. Here, differences between several positions on the electrode surface were observed based on the local ohmic resistance and the local charge transfer resistance. The second series of investigations included the analysis of two different surface defects on a composite electrode that were caused in advance. These should be used for further characterization of the method in general and for spatial orientation on the electrode surface. At such a boundary, this is particularly enabled by the difference in local ohmic resistance between the conductive electrode and the insulating sample holder. Additionally, the results obtained made further specification of some properties of the measuring tip used possible. Overall, it was shown that after the introduced adjustments, the system is basically suitable for the investigation of lithium ion electrodes in an organic electrolyte medium.

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