{"id":351007,"date":"2022-02-02T08:00:00","date_gmt":"2022-02-02T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=351007"},"modified":"2022-02-02T08:00:00","modified_gmt":"2022-02-02T07:00:00","slug":"neuartige-methode-zur-lithiummessung-soll-die-forschung-zu-metalllegierungen-beschleunigen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/neuartige-methode-zur-lithiummessung-soll-die-forschung-zu-metalllegierungen-beschleunigen\/","title":{"rendered":"Neuartige Methode zur Lithiummessung soll die Forschung zu Metalllegierungen beschleunigen"},"content":{"rendered":"\n

Lithium entwickelte sich zu einer der Schl\u00fcsseltechnologien f\u00fcr den Betrieb mobiler Ger\u00e4te und Elektrofahrzeuge vor allem in Form des Lithium-Ionen-Akkus. Aber Lithium spielt auch eine wichtige Rolle bei superleichten Metalllegierungen f\u00fcr die Luft- und Raumfahrt. Ein Forschungssektor, mit dem man sich am Leichtmetallkompetenzzentrum<\/em> Ranshofen (LKR)<\/a>, einem Zweig des AIT Austrian Institute of Technology<\/em><\/a>,<\/em> besch\u00e4ftigt. Im Fokus steht die Weiterentwicklung von ultraleichten Metalllegierungen mit Magnesium und Aluminium. Diese sind unter anderem f\u00fcr Teile der Au\u00dfenh\u00fclle von Flugzeugen interessant. Eingesetzt werden Aluminium-Lithium-Legierungen schon bei der Boeing 787 Dreamliner<\/em> und verschiedenen Modellen von Airbu<\/em>s.<\/p>\n\n\n\n

Metalllegierungen<\/h3>\n\n\n\n

Lithium ist das leichteste Element, das bei Standardbedingungen fest ist.  Es hat eine Dichte von 0,5 Gramm pro Kubikzentimeter. Auch Aluminium ist leicht – hat aber mit 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter eine mehr als  f\u00fcnffache Dichte. In Metalllegierungen hat Lithium den Vorteil, dass es die Dichte des Materials verringert. \u201eDas hei\u00dft, wenn man jetzt Metallen wie Aluminium oder Magnesium etwas  Lithium zulegiert, dann sinkt die Dichte der Legierung und das Material wird insgesamt leichter. Bei Magnesium verh\u00e4lt es sich ebenso. Die Zugabe von Lithium kann aber auch mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit oder H\u00e4rte, verbessern. Und im Fall von Magnesiumlegierungen auch die Dehn- oder Verformbarkeit (Duktilit\u00e4t)\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Johannes \u00d6sterreicher, Senior Scientist<\/a> am Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Verteilungsprofil<\/h3>\n\n\n\n

Bislang stand die Forschung und Entwicklung von Lithium-Werkstoffen jedoch vor einem ungel\u00f6sten Problem: Will man Werkstoffe mit vorab definierten Eigenschaften entwickeln oder weiter optimieren, dann muss die Verteilung der Metalle innerhalb des Werkstoffs bestimmt werden. Lithium als leichtestes festes Element konnte mit g\u00e4ngigen Messmethoden bisher nicht nachgewiesen werden.<\/p>\n\n\n\n

Auch interessant:<\/strong> Lithiumf\u00f6rderung in Deutschland durch neues Verfahren<\/a><\/p>\n\n\n\n

Ein g\u00e4ngiges Messinstrument mit Ortsaufl\u00f6sung ist das Elektronenmikroskop, mit dem Verteilungsprofile und \u2013karten von Elementen ermitteln werden k\u00f6nnen. Es ist mit einem Detektor f\u00fcr die energiedispersive  R\u00f6ntgenspektroskopie<\/em> (EDS) ausgestattet. Dieser erm\u00f6glicht es, die Probe mit einem Elektronenstrahl in Nanometerschritten abzurastern und dabei f\u00fcr jeden Punkt ein chemisches Spektrum aufzunehmen. Das Spektrum gibt Aufschluss \u00fcber die Zusammensetzung und ist Basis f\u00fcr die bildliche Darstellung der Elementverteilung. <\/p>\n\n\n\n

Unsichtbar<\/h3>\n\n\n\n

Zwar strahlen auch Lithium-Atome bei Anregung charakteristische R\u00f6ntgenstrahlen aus, doch sind diese so niederenergetisch, dass sie nicht detektiert werden k\u00f6nnen. Folglich bleibt Lithium auf einer EDS-Map einer lithiumhaltigen Probe unsichtbar. \u00d6sterreicher: \u201eEs gibt zwar schon alternative Methoden zur Quantifizierung von Lithium, diese erfordern aber spezielle Ausr\u00fcstungen, sind operativ aufw\u00e4ndig und sehr teuer. Damit ist die Anwendbarkeit auch beschr\u00e4nkt. Ein Beispiel ist die Electron Energy Loss Spectroscopy<\/em> \u2013 kurz EELS. Ein anderes Beispiel ist die Atomsondentomographie, wo die Ger\u00e4tekosten aber in die Millionen Euro gehen. Solche Ger\u00e4te sind nur in wenigen Forschungseinrichtungen vorhanden, stark ausgelastet und somit f\u00fcr viele unzug\u00e4nglich.\u201c <\/p>\n\n\n\n

\"Metalllegierungen,
Lithium Applikation (c) Gatan<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Foto: Quantitative Kartierung von Lithium im Rasterelektronenmikroskop: Sekund\u00e4relektronenbild und Karten der elementaren Metallfraktion (in Gewicht und Prozent) desselben Bereichs der MgLiAl-Legierung; wei\u00dfe Pixel sind Regionen, die aufgrund des Einflusses der Topographie von der Analyse ausgeschlossen wurden.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Er und sein Team haben nun eine neue Methode zur Kartierung von Lithium auf mikroskopischer Ebene entwickelt. Die Methode ist einfach und bedarf lediglich eines Rasterelektronenmikroskops mit EDS Detektor. \u201eEin Standardger\u00e4t, das fast an allen Universit\u00e4ten und Forschungseinrichtungen, die im Lithiumsektor forschen, vorhanden ist\u201c, sagt \u00d6sterreicher. <\/p>\n\n\n\n

R\u00fcckstreuelektronen<\/h3>\n\n\n\n

Neu ist sein Ansatz, die EDS-Methode mit der sogenannten quantitativen R\u00fcckstreuelektronenmikroskopie (qBEI) zu kombinieren. R\u00fcckstreuelektronen sind Elektronen des Elektronenstrahls in einem Elektronenmikroskop. Diese dringen in die Probe ein, werden von den Atomkernen abgelenkt und wieder zur\u00fcckgestreut. R\u00fcckstreuelektronen k\u00f6nnen detektiert, weil darin Bereiche unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung unterschiedlich hell erscheinen. Deshalb werden sie oft zur Bildgebung verwendet.<\/p>\n\n\n\n

Diesen Effekt hat sich das AIT-Team zunutze gemacht: Mithilfe verschiedener Elementstandards wurde eine Kalibration der Helligkeit \u00fcber die Ordnungszahl erstellt, um die mittlere Ordnungszahl jedes Punktes auf einer Probe zu ermitteln. Die Ordnungszahl ist gleich der Anzahl der Protonen, die sich im Atomkern jedes Atoms dieses Elements befinden. <\/p>\n\n\n\n

Kombiniert man die Informationen mit einer herk\u00f6mmlichen EDS-Messung, kann der Lithiumgehalt f\u00fcr jeden Punkt berechnet werden \u2013 selbst bei sehr geringen Lithiummengen.<\/p>\n\n\n\n

Ortsaufl\u00f6sung<\/h3>\n\n\n\n

Mit der Methode kann man nicht nur den generellen Lithiumgehalt bestimmen, sondern auch ortsaufgel\u00f6ste Messungen durchf\u00fchren \u2013 auf einer Mikrometerskala und sogar darunter. Die Ortsaufl\u00f6sung ist insofern wesentlich, als sich in solchen Metalllegierungen nicht nur Mischkristalle, sondern auch intermetallische Phasen befinden, erkl\u00e4rt \u00d6sterreicher. Letztere unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung wesentlich von der globalen Zusammensetzung der Legierung.  Diese intermetallischen Legierungen k\u00f6nnen sowohl positive als auch negative Auswirkungen haben. Weshalb ihr gezieltes Design von gro\u00dfer Bedeutung ist. Mit ortsaufgel\u00f6sten Messmethoden kann man die Zusammensetzung, Gr\u00f6\u00dfe und Verteilung der intermetallischen Phasen erkennen.<\/p>\n\n\n\n

Weiterentwicklung <\/h3>\n\n\n\n

Die neue Methode wurde international zum Patent angemeldet und in der renommierten Fachzeitschrift \u201aScripta Materialia\u2019 publiziert. In der Folge ging das AIT eine strategische Kooperation mit dem Unternehmen Gatan<\/a> aus Kalifornien (USA) ein, um die Methode weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Erste gemeinsame Arbeiten best\u00e4tigen das Potenzial der Methode. <\/p>\n\n\n\n

Anwendung<\/h3>\n\n\n\n

Im Leichtmetallkompetenzzentrum des AIT wird die Innovation zur Weiterentwicklung von Hochleistungswerkstoffen aus Magnesium-Aluminium-Lithium-Legierungen angewendet. Im Battery Lab<\/a><\/em> des AIT erleichtert die neuartige Messmethode die Erforschung neuer Batteriematerialien. Auch hier geht es darum, die Verteilung von Lithium auf der Mikro- und Nanoskala zu ermitteln, und zu sehen, wie sich dieses im Material verh\u00e4lt. <\/p>\n\n\n\n

Ziele der Batterieforschung sind die Erh\u00f6hung der speicherbaren Ladedichte und die Lebensdauer der Batterien. Die Kapazit\u00e4t der Batterie soll auch nach mehreren tausend Ladezyklen nicht allzu stark absinken. Dazu braucht es nicht zuletzt Materialien mit vorteilhaften Eigenschaften.<\/p>\n\n\n\n

\u201eDie Methode k\u00f6nnte in Zukunft dazu f\u00fchren, dass solche Forschungsprozesse zielgerichteter und schneller ablaufen k\u00f6nnen. Weil man solche Messungen dann einfacher durchf\u00fchren kann, als mit den eingangs erw\u00e4hnten teuren und komplizierten Methoden\u201c, so \u00d6sterreicher. <\/p>\n\n\n\n

Auch interessant:<\/strong> Vater der Lithium-Ionen-Batterie gewinnt Europ\u00e4ischen Erfinderpreis 2019 <\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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