Herstellung und Charakterisierung von Festelektrolyten als Modellsysteme für Batterie- und Kondensatoranwendungen: Lokale elektrochemische Prozesse und in-situ Elektrodenbildung

Im ersten Teil dieser Arbeit wurden potentialabhängige Grenzflächenkapazitäten von silberionenleitenden Gläsern und Platinelektroden impedanzspektroskopisch untersucht. Ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Grenzschichten dient zur Gestaltung und Weiterentwicklung von elektrochemischen...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Siebert-Krümpelmann, Julia
Beteiligte: Roling, Bernhard (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2013
Chemie
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0085
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:Im ersten Teil dieser Arbeit wurden potentialabhängige Grenzflächenkapazitäten von silberionenleitenden Gläsern und Platinelektroden impedanzspektroskopisch untersucht. Ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Grenzschichten dient zur Gestaltung und Weiterentwicklung von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren. Durch einen asymmetrischen Messaufbau mit stark unterschiedlichen Elektrodenflächen konnte die Kapazität an der kleinen Elektrode jeweils individuell bestimmt werden. Die potentialabhängige Anodenkapazität zeigte bei einer bestimmten kritischen Spannung ein schwach ausgeprägtes Maximum und fiel bei höheren Spannungen ab. Die Kathodenkapazität wies ein deutlich stärker ausgeprägtes Maximum bei einer höheren kritischen Spannung auf. Mit Hilfe von numerischen Rechnungen konnte demonstriert werden, dass das stark ausgeprägte Maximum der Kathodenkapazität das Maximum der Gesamtkapazität im symmetrischen Fall verursachte. Die experimentellen Ergebnisse in der asymmetrischen Elektrodenkonfiguration zeigen deutliche Unterschiede theoretischen Berechnungen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden lokale elektrochemische Prozesse an verschiedenen silberionenleitenden Gläsern und einer lithiumionenleiten Glaskeramik (LIC-GC) mit Hilfe einer elektrisch leitfähigen AFM-Spitze untersucht. Erst nach Überschreiten einer kritischen kathodischen Spannung folgte eine Stromantwort, die auf Metallabscheidung zurückzuführen war. Die abgeschiedenen Silberpartikel zeigten eine dendritische Struktur, deren exakte laterale Fläche schwer zu bestimmen war, während die abgeschiedenen Lithiumpartikel sehr kompakt waren. Es wurde eine in-situ Methode entwickelt, die den kathodisch geflossenen Strom mit den geometrischen Parametern des wachsenden Lithiumpartikels korreliert und deren Zeitabhängigkeiten bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass bei einer lokalen chronoamperometrischen Messung oberhalb der kritischen Spannung sowohl Strom als auch Radius und Höhe des wachsenden Lithiumpartikels Wurzelfunktionen der Zeit sind. Der Radius war allerdings signifikant größer als die Höhe, was auf langsamere Diffusion des Lithiums im Metallpartikel im Vergleich zur Diffusion auf der Probenoberfläche hindeutet. Mittels verschiedener elektrochemischer Analysemethoden wurde überprüft, ob die abgeschiedenen Metallpartikel als in-situ Elektroden fungieren und somit die lokale Leitfähigkeit in einem Festkörperionenleiter detektieren können. Dazu wurden die lokalen Leitfähigkeiten nach der Spreading Resistance Formel mit dem lateralen Radius des abgeschiedenen Metallpartikels skaliert und mit der makroskopischen spezifischen Leitfähigkeit verglichen. Die lokalen und makroskopischen spezifischen Leitfähigkeiten stimmten für die Silbergläser bereits bei kathodischen Spannungen unterhalb von -1 V sehr gut überein. Die auf den Silbergläsern abgeschiedenen Silberpartikel eignen sich daher ideal als Nanoelektroden. Bei der LIC-GC hingegen, wichen die lokalen spezifischen Leitfähigkeiten von den makroskopischen spezifischen Leitfähigkeiten bei niedrigen Spannungen um etwa zwei Größenordnungen ab. Die Ursache dieser sehr hohen Abweichung ist vermutlich die Bildung einer resistiven Schicht zwischen der LIC-GC Oberfläche und dem abgeschiedenen Lithiumpartikel bedingt durch die Instabilität der LIC-GC Oberfläche gegenüber metallischem Lithium. Die auf der LIC-GC abgeschiedenen Lithiumpartikel eignen sich daher nicht als lokale Elektroden. Um bandförmige Silberelektroden auf der Silberglasoberfläche abzuscheiden, wurden Linien mit scharfen Kanten auf der Glasoberfläche mittels Laserablation erzeugt. Die Silberabscheidung wurde von einem Punkt aus in der Linie selbst oder unmittelbar daneben initiiert und setzte sich an den scharfen Kanten der Linien fort, sodass zwei Silberbänder entstanden sind. Bei einer Pulsdauer zwischen 0,5 und 1 s und einer kathodischen Spannung im Bereich von -0,5 V bis -1 V waren die Silberbänder typerweise 50 µm lang und 1 µm hoch. Die lokal abgeschiedenen Silberbänder eignen bandförmige Nano- oder Mikroelektroden.
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0085