APA ots news: AIT entwickelt Methode zur Lithium-Messung - BILD

    Forschende am Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen haben ein  
Verfahren entwickelt, das die Detektion von Lithium im Kontext 
der Batterie- und Werkstoffentwicklung deutlich vereinfacht 

Wien (APA-ots) - Ranshofen/Wien (AIT): Viele der wichtigsten  
technologischen und gesellschaftlichen Entwicklungen des 21. 
Jahrhunderts wären ohne Lithium-Ionen-Akkus nicht möglich gewesen: 
Seit ihrer Markteinführung im Jahr 1991 entwickelten sich diese 
Batterien wegen ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte und 
Lebensdauer zu einer Schlüsseltechnologie für den Betrieb mobiler 
Geräte, für alle Arten von Elektrofahrzeugen und zunehmend auch für 
den Einsatz in stationären Energiespeichern. Nur folgerichtig war, 
dass der Chemie-Nobelpreis 2019 an drei Lithium-Batterie-Forscher 
vergeben wurde. Aber auch in anderen technologischen Feldern spielt 
Lithium eine wichtige Rolle, etwa bei superleichten 
Strukturlegierungen für die Luft- und Raumfahrt. 

Bei der Weiterentwicklung von Lithium-Werkstoffen für die 
verschiedenen Anwendungen haben die Forscherinnen und Forscher 
allerdings ein Problem: Bisher gab es in der Praxis keine einfache 
Methode zur ortsaufgelösten Bestimmung des Lithiumgehalts auf 
mikroskopischer Ebene. Diese Informationen sind wichtig, um 
Werkstoffe mit gewünschten Eigenschaften entwickeln bzw. weiter 
optimieren zu können. Im Fall von Lithium tappen die Forschenden 
sozusagen im Dunkeln. 

Zwtl.: Lithium ist schwer nachzuweisen 

Üblicherweise verwendet man zur Ermittlung von Verteilungsprofilen 
und -karten von Elementen ein Elektronenmikroskop, das mit einem 
Detektor für die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) 
ausgestattet ist. Während der Elektronenstrahl die Probe in 
Nanometer-Schritten abrastert, wird dabei für jeden Punkt ein 
chemisches Spektrum aufgenommen, das Aufschluss über die 
Zusammensetzung gibt. Daraus kann man bildliche Darstellungen der 
Elementverteilung, sogenannte Maps, erstellen. 

Das Problem bei Lithium ist, dass dieses als leichtestes festes 
Element (Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente: 3) nicht mit 
gängigen EDS-Detektoren nachgewiesen werden kann. Zwar strahlen auch 
Lithium-Atome bei Anregung charakteristische Röntgenstrahlen aus, 
doch sind diese so niederenergetisch, dass sie nicht detektiert 
werden können. Folglich werden bei der Erstellung einer EDS-Map einer 
Lithium-haltigen Probe nur die sonstigen Elemente kartiert, Lithium 
selbst ist aber "unsichtbar". Zwar wurden in der wissenschaftlichen 
Literatur schon alternative Methoden vorgeschlagen, um auch Lithium 
quantifizieren zu können, diese erfordern aber spezielle Ausrüstung 
und sind somit sehr aufwendig und teuer. 

Zwtl.: Kombination von zwei Messverfahren 

Ein Team um Johannes Österreicher, Senior Scientist am LKR 
Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen des AIT Austrian Institute of 
Technology, konnte diese Schwierigkeiten nun umgehen: Entwickelt 
wurde ein neues Verfahren zur Kartierung von Lithium auf 
mikroskopischer Ebene, das mit einem 
Standard-Rasterelektronenmikroskop durchgeführt werden kann und keine 
zusätzlichen exotischen Analysegeräte benötigt. Dabei wird die 
EDS-Methode mit der sogenannten quantitativen 
Rückstreuelektronenmikroskopie (qBEI) kombiniert. Rückstreuelektronen 
sind jene Elektronen des Elektronenstrahls in einem 
Elektronenmikroskop, die in die Probe eindringen, von den Atomkernen 
abgelenkt und wieder zurückgestreut werden. Die Rückstreuelektronen 
können detektiert werden und werden oft zur Bildgebung verwendet, da 
Bereiche unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung unterschiedlich 
hell erscheinen. 

Diesen Effekt hat sich das AIT-Team zunutze gemacht: Mithilfe 
verschiedener Elementstandards wurde eine Kalibration der Helligkeit 
über die Ordnungszahl erstellt, um die mittlere Ordnungszahl jedes 
Punktes auf einer Probe zu ermitteln. Kombiniert man diese 
Informationen mit einer herkömmlichen EDS-Messung, kann der 
Lithiumgehalt für jeden Punkt berechnet werden - selbst bei sehr 
geringen Lithiummengen. "Aufgrund der riesigen Bedeutung von 
Lithium-Ionen-Akkus wurde Lithium sozusagen zum heiligen Gral der 
ortsaufgelösten chemischen Analyse in Elektronenmikroskopen. Mit 
unserer neuen Methode sind wir einen entscheidenden Schritt 
weitergekommen", freut sich Johannes Österreicher. 

Zwtl.: Kooperation mit US-Industriepartner 

Die neue Methode wurde international zum Patent angemeldet und in 
der renommierten Fachzeitschrift "Scripta Materialia" publiziert. 
Dies löste umgehend reges Interesse von 
Elektronenmikroskop-Herstellern aus. In der Folge ging das AIT eine 
strategische Kooperation mit der Firma Gatan aus Kalifornien (USA) 
ein, um die Methode weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Gatan ist 
ein führendes Unternehmen in der Elektronenmikroskopie und Teil des 
AMETEK-Konzerns, der gemessen an der Marktkapitalisierung von knapp 
32 Milliarden Dollar mehr als doppelt so groß ist wie Österreichs 
größtes Unternehmen, die OMV. Erste gemeinsame Arbeiten bestätigten 
das Potential der neuen Methode, sodass bereits ein gemeinsames 
Poster bei der Fachkonferenz Microscopy&Microanalysis 2021 gezeigt 
werden konnte. "Wir von Gatan freuen uns sehr über die Zusammenarbeit 
und darauf, ein erweitertes Kooperationsprogramm zu etablieren. Die 
Partnerschaft mit dem AIT-Team ist für uns ein Privileg und eine 
Gelegenheit, Spitzenforschung zu unterstützen, sagt Oleg Lourie, 
Director of Product Management/SEM bei Gatan. 

Zwtl.: Wertvolle Informationen für Forschung & Entwicklung am AIT 

Am LKR leistet die neue Methode zur Detektion von Lithium 
wertvolle Dienste bei der Weiterentwicklung von 
Hochleistungswerkstoffen wie z. B. 
Magnesium-Aluminium-Lithium-Legierungen, die für viele Anwendungen im 
Mobilitätsbereich interessant sind. Sehr wichtig ist das neue 
Messverfahren überdies für die Arbeit im Battery Lab des AIT, wo 
Lithium-Ionen-Akkus optimiert und Feststoffbatterien der Zukunft 
entwickelt werden. "Diese neue Methode hilft uns sehr dabei, 
grundlegende Innovationen für die nächste Generation nachhaltiger 
Verkehrstechnologien zu realisieren", erläutert Christian Chimani, 
Leiter des AIT Center for Low-Emission Transport und Geschäftsführer 
des LKR. 

Zwtl.: Weiterführende Links 

*   [AIT Center for Low Emission Transport] 
(https://www.ait.ac.at/let/) 
*   [LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen] 
(https://www.ait.ac.at/lkr/) 

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sowie im OTS-Bildarchiv unter http://bild.ots.at 

Rückfragehinweis: 
   Mag. Florian Hainz BA 
   Marketing and Communications 
   AIT Austrian Institute of Technology  
   Center for Low-Emission Transport 
   T +43 (0)50550-4518 
   florian.hainz@ait.ac.at I http://www.ait.ac.at/ 
    
   Mag. Michael H. Hlava 
   Head of Corporate and Marketing Communications 
   AIT Austrian Institute of Technology  
   T +43 (0)50550-4014 
   michael.hlava@ait.ac.at I www.ait.ac.at 

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