Charakterisierung von Energiematerialien im Nanobereich

Wir untersuchen die mikroskopischen Eigenschaften von Festkörperbatterien, um sie für den zukünftigen Einsatz vorzubereiten. In diesen Batterien bestehen Grenzflächen zwischen einem Lithium-Ionen-Reservoir, einem Festelektrolyten und einem Lithium-Ionen-Kollektor. Unsere Forschung konzentriert sich auf die mikroskopischen Eigenschaften dieser Grenzflächen sowie auf weitere Zwischenphasen, die sich während des Betriebs bilden können. Wir wenden fortschrittliche Rasterkraftmikroskopie-Methoden auf gängige Modellsysteme von Festkörperbatterien während des Betriebs an. Diese Methoden ermöglichen es uns, die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Zwischenphasen zu bestimmen. Darüber hinaus untersuchten wir den Ladungstransport über Grenzflächen mittels in-Operando-Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM). Wir haben erste Erkenntnisse zum Dendritenwachstum in einem Li₆,₂₅Al₀,₂₅La₃Zr₂O₁₂-Festelektrolyten vom Granat-Typ gewonnen. Mithilfe von In-operando-KPFM haben wir die Galvanische-Potential-Verteilung in Dünnschicht-All-Solid-State-Batterien untersucht. Dabei haben wir die Entwicklung der Raumladungsschicht in einer Modell-Dünnschichtbatterie aus Li (Lithium)|Li₃PO₄ (Lithiumphosphat)|LiCoO₂ (Lithiumkobaltoxid) bei verschiedenen Ladezuständen im Spannungsbereich von 3,0 V bis 4,3 V gegenüber Li⁺/Li gemessen und verfolgt (Abbildung). 

Fortgeschrittene Rasterkraftmikroskopie-Verfahren – wie beispielsweise KPFM – werden in der Batterieforschung bislang nur selten eingesetzt, obwohl diese Techniken wertvolle Informationen über das Verhalten von Festkörperbatterien im Betrieb an den Grenzflächen geliefert haben. In Zukunft könnten fortgeschrittene Rasterkraftmikroskopie-Verfahren potenziell zur Untersuchung einer Vielzahl von Systemen auf Basis fester Elektrolyte genutzt werden, selbst wenn es an den Grenzflächen zu einer zusätzlichen Phasenbildung kommt. 

1. Shi, B.X., Weber, F., Yusim, Y., Demuth, T., Vettori, K.,  Münchinger, A., Titvinidze, G., Volz, K., Henss, A., Berger, R., Richter, F.H., Lithiated polymer coating for interface stabilization in Li6PS5Cl-based solid-state batteries with high-nickel NCM, J. Mater. Chem. A, 2025,13, 2600-2614, DOI: 10.1039/D4TA07265K
2. Xiaotang Shi, Andrew Naylor, Till Fuchs-Kühn, Steffen Schröder, Franjo Weber, Hans-Jürgen Butt, Rüdiger Berger, Mechanical Properties of Cathode-Electrolyte Interphase Layers in High-Voltage Lithium-Ion Batteries, submitted 2026. 
3. Weber, F., Zhu, C., Kobayashi, S., Fuchs, T., Hitosugi, T.,  Janek, J. & Berger, R. (2025).  Interpretation of Kelvin Probe Force Measurements in Solid-State Electrochemical Cells, ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 42, 58825–58836. DOI: 10.1021/acsami.5c10182
4. Zhu, C., Fuchs, T., Weber, S.A.L., Richter, F.H., Glasser, G.,  Weber, F., Butt, H.-J.,  Janek, J. & Berger R. (2023). Understanding the evolution of lithium dendrites at Li6.25Al0.25La3Zr2O12 grain boundaries via operando microscopy techniques, Nature Communications 14, 1300 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36792-7 
5. Zhu, C., Kobayashi, S., Sugisawa, Y., Weber F., Lin, K.-H., Kitamura M., Horiba K., Kumigashira H., Nishio K., Shimizu R., Sekiba D., Hitosugi T. & Berger R. (2025). Space Charge Layer Evolution in All-Solid-State Batteries Probed via Operando Kelvin Probe Force Microscopy and Nuclear Reaction Analysis, ACS Nano 2025, 19, 45, 39062–39075. DOI: 10.1021/acsnano.5c10125