ZEISS GeminiSEM

Die Leistungsfähigkeit funktionaler Materialien und fortschrittlicher Geräte wie Batterien, Solarzellen und Brennstoffzellen ist abhängig von der Mikrostruktur des verwendeten Werkstoffes. Damit diese Materialverbunde die gewünschte Leistung erbringen, muss das Zusammenspiel vieler verschiedener Materialien funktionieren.

Im Fokus stehen dabei die Materialien Nickel, Mangan und Kobalt. Dieser Akkutyp wird Li-NMC, LNMC, NMC oder NCM genannt. Die Bezeichnungen NCM 111, 523 usw. geben das jeweilige Zusammen­setzungsverhältnis von Nickel, Cobalt und Mangan an. Das Beispiel zeigt den Querschnitt einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kathode aus NCM 111. Das Auf- und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien führt zu Veränderungen in der Mikrostruktur. Es entstehen Risse, durch die sich die Oberfläche der Feststoff-Elektrolyt-Grenzphasen-Schicht (solid electrolyte interphase – SEI) vergrößert. Dadurch verringert sich die Batterieleistung.

Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops lassen sich weitere strukturelle Unterschiede zwischen den NCM-Varianten erkennen, die auf andere Produktions­faktoren zurückzuführen sind. Im Querschnitt erkennt man, dass die Primärpartikel von 811 viel kleiner sind als die von 532 oder 111. Dieser ausgezeichnete Materialkontrast in der Subkornstruktur ist nur durch ein einzig­­artiges Funktionsmerkmal der ZEISS Raster­elektronen­mikroskope möglich: dem Energy-Selective-Backscatter-Detektor (EsB-Detektor).

Eine bessere Zusammensetzung der Elektrolyte kann dazu führen, dass der physikalische Abnutzungsprozess der Kathodenmaterialien weniger stark ausfällt. Mit besseren chemischen Verfahren können Kathodenmaterialien mit größeren Kornpartikeln hergestellt werden.

Querschnitt einer vollständigen Lithium-Ionen-Batteriezelle: EDX-Element­verteilungsbild (O, Al, F, Si und C). Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) lässt sich die Elementzusammensetzung der untersuchten Objekte unter dem Mikroskop ermitteln.

Dieses Bild belegt einen hohen Gehalt an Fluor auf der Kathodenseite, wie es bei einer gealterten Probe zu erwarten ist. Fluor ist im Elektrolyten enthalten und verbindet sich mit der SEI-Schicht, die mit der Nutzungsdauer größer wird. Der Separator erzeugt erwartungsgemäß Aluminium- und Sauerstoffsignale. Kohlenstoff wird als Leitmaterial im Bindemittel verwendet. Da das Polymer des Separators aus Kohlenwasserstoff besteht, ist Kohlenstoff überall in der Batterie nachweisbar.

Korngröße und Verteilung stehen in direktem Zusammenhang mit den Materialeigenschaften. Quantifizieren Sie die kristallographische Struktur Ihrer Materialien gemäß internationalen Standards. Mit drei Auswertungsverfahren können Sie Ihre Proben charakterisieren:

• Planimetrisches Verfahren zur automatischen Rekonstruktion von Korngrenzen
• Interceptverfahren mit einer Vielzahl von verschiedenen Messgittern zum interaktiven Erkennen und Zählen von Korngrenzen-Schnittpunkten
• Vergleichsverfahren für manuelle Bildauswertung mit Vergleichsdiagrammen
  

Die Software ZEISS ZEN Intellesis erkennt mithilfe von maschinellen Lernalgorithmen und einem vortrainierten Modell die Fremdphase und die Korngrenzen. Ein Klick und Sie können das Instanz-Segmentierungsmodell und die zu segmentierende Klasse auswählen.

Die Ergebnisansicht beinhaltet alle Bilder und Ergebnisse der durchgeführten Analyse. Zusätzlich werden auch die Originalbilder angezeigt. Sie können alle Ergebnisse der Analyse in einer übersichtlichen Tabellenansicht sowie in einem Balkendiagramm für die Korngrößenverteilung anzeigen lassen.