NSF-DFG MISSION: Oberflächenanalytik und korrelative Bildgebung mittels operando Sekundärionenmassenspektrometrie - SCOPE-SIMS

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Rohnke
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542354924

Elektrochemische Komponenten wie Batterien, Brennstoffzellen und Solarzellen, sind für den globalen Energiebedarf von entscheidender Bedeutung. Um ihre Leistung zu optimieren, ist ein umfassendes Verständnis ihrer chemischen Prozesse, sowohl der gewünschten als auch der unerwünschten, unerlässlich. Während herkömmliche elektrochemische Messungen wertvolle Erkenntnisse liefern, können sie chemische Prozesse, die an Grenzflächen innerhalb von Batterien ablaufen, nicht in Echtzeit erfassen. Post-Mortem-Analysen sind im Hinblick auf Wiederholungen und mögliche Probenveränderungen begrenzt. In den letzten Jahren wurden Operando-Methoden entwickelt, um diese Einschränkungen zu beseitigen. Unter diesen sticht die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) als hochempfindliche Oberflächenanalysetechnik hervor, die ein tieferes Verständnis der Elektrodenabbauprozesse ermöglicht, um die nächste Generation von Batteriematerialien zu entwickeln. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Anwendung von ToF-SIMS für In-situ- und Operando-Studien von Festkörperbatterien (ASSBs) voranzutreiben, einer vielversprechenden Energiespeichertechnologie der nächsten Generation, die für ihre hohe Energiedichte und erhöhte Sicherheit bekannt sind. Die Forschung konzentriert sich auf zwei Modellsysteme: eine Kathode aus NCM (Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan) und eine Anode aus Silizium (Si), beide kombiniert mit Festelektrolyten auf Sulfid-basis. Die Leistung von ASSBs wird maßgeblich von den Eigenschaften des Festkörperelektrolyten beeinflusst, einschließlich Ionenleitfähigkeit, mechanischer Stabilität und Grenzflächenkompatibilität. Unsere Arbeiten beinhalten drei verschiedene Bereiche: i) operando ToF-SIMS-Methodenentwicklung inkl. dem Entwurf einer integrierten elektrochemischen Zelle; ii) Benchmarking der Operando-Ergebnisse mit elektrochemischen Post-Mortem-Tests und Simulationen auf molekularer Ebene; und iii) Anwendung von Algorithmen für maschinelles Lernen, um Systemeigenschaften aus SIMS-Spektren mit der beobachteten elektrochemischen Leistung zu korrelieren. Das Ziel besteht darin, Operando-SIMS in Kombination mit Rechenmodellen und maschinellem Lernen zu verwenden, um jede Komponente, einschließlich Anode, Kathode und Elektrolyt, zu optimieren, indem die chemische Reaktivität an der Grenzfläche aufgeklärt wird, die die elektrochemische Leistung bestimmt. Durch die Weiterentwicklung des Verständnisses der ASSB-Grenzflächeneigenschaften und Abbauprozesse trägt diese Forschung direkt zur Entwicklung neuer Energietechnologien bei. Darüber hinaus hat der Schwerpunkt des Projekts auf der Operando-Analyse unter Verwendung modernster Techniken wie ToF-SIMS weitreichendere Auswirkungen auf die Materialwissenschaft und Methoden der Oberflächenanalyse. Die Entwicklung fortschrittlicher Datenanalysetools kann verschiedenen Bereichen zugutekommen, indem sie die Gewinnung physikalischer Erkenntnisse aus komplexen Datensätzen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Sinbani Lisa Biswal, Ph.D.; Professor Dr. Thomas P. Senftle