Lithium is uitgegroeid tot een sleutelelement bij de productie van mobiele communicatieapparatuur en elektrische voertuigen. Je komt het vooral tegen in de vorm van een lithium-ionbatterij. Maar lithium speelt ook een belangrijke rol bij superlichte metaallegeringen voor de lucht- en ruimtevaart. Het Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (LKR) van het Technisch Instituut Oostenrijk doet daar onderzoek naar. Deze materialen worden gebruikt bij de bouw van vliegtuigen en ruimtevaartschepen.
Lithium is het lichtste vaste element. Het heeft een dichtheid van 0,5 gram per kubieke centimeter. Aluminium is ook licht – maar met 2,7 gram per kubieke centimeter is de dichtheid vijf keer groter. In metaallegeringen heeft lithium het voordeel dat het de dichtheid van het materiaal vermindert.
“Dus als je nu wat lithium toevoegt aan metalen zoals aluminium of magnesium, neemt de dichtheid van de legering afneemt en wordt het materiaal in zijn geheel lichter. Het is hetzelfde met magnesium. Maar de toevoeging van lithium kan ook de mechanische eigenschappen zoals treksterkte of hardheid verbeteren. En, in het geval van magnesiumlegeringen, ook de vervormbaarheid” legt dr. Johannes Österreicher, Senior Scientist van het LKR uit.
Verdelingsprofiel
Tot nu toe stuitte men bij het onderzoek naar en de ontwikkeling van lithiummaterialen echter op een onopgelost probleem. Wil je materialen met vooraf bepaalde eigenschappen ontwikkelen of verder optimaliseren, dan moet de verdeling van de metalen binnen het materiaal worden bepaald. Lithium kon tot dusver met de gebruikelijke meetmethoden niet worden gedetecteerd.
Ook interessant: Zeldzaam lithium zit gewoon in water van volgelopen mijngangen
Een veelgebruikt instrument om verspreidingsprofielen en kaarten van elementen te bepalen, is de elektronenmicroscoop. Deze is uitgerust met een detector voor energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). Dit maakt het mogelijk het monster met een elektronenbundel in stappen van een nanometer te scannen en voor elk punt een chemisch spectrum op te nemen. Het spectrum geeft informatie over de samenstelling en vormt de basis voor de visualisering van de elementverdeling.
Onzichtbaar
Hoewel lithiumatomen ook karakteristieke röntgenstralen uitzenden wanneer zij worden gescand, zijn deze zo laag-energetisch dat zij niet kunnen worden waargenomen. Daardoor blijft lithium onzichtbaar op een EDS-kaart van een lithiumhoudend monster. Österreicher: “Er bestaan al wel alternatieve methoden om lithium te kwantificeren. Maar deze vereisen speciale apparatuur, zijn operationeel complex en zeer duur. Dit beperkt ook hun toepasbaarheid. Een voorbeeld is Elektronen Energie Verlies Spectroscopie – afgekort EELS. Een ander voorbeeld is atomaire sonde tomografie, waarvoor de kosten van de apparatuur in de miljoenen euro’s lopen. Dergelijke apparatuur is slechts in enkele onderzoeksinstellingen beschikbaar, wordt intensief gebruikt en is dus voor velen ontoegankelijk”.
.Foto: Kwantitatieve kartering van lithium in de scanning-elektronenmicroscoop: secundair elektronenbeeld en kaarten van de elementaire metaalfractie (in gewicht en percentage) van hetzelfde gebied van de MgLiAl-legering; witte pixels zijn gebieden die van de analyse zijn uitgesloten.
Hij en zijn team hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld om lithium op microscopisch niveau in kaart te brengen. De methode is eenvoudig en vereist slechts een aftastelektronenmicroscoop met een EDS-detector. “Het is een standaardapparaat dat beschikbaar is op bijna alle universiteiten en onderzoeksinstellingen die onderzoek doen in de lithiumsector,” zegt Österreicher.
Verstrooide elektronen
Zijn aanpak om de EDS-methode te combineren met de zogenaamde kwantitatieve backscattered elektronenmicroscopie (qBEI) is nieuw. Backscattered elektronen zijn elektronen van de elektronenbundel in een elektronenmicroscoop. Zij dringen het monster binnen, worden door de atoomkernen afgebogen en weer terug verstrooid. Teruggestrooide elektronen kunnen worden gedetecteerd omdat gebieden van verschillende chemische samenstelling er in verschillende mate van helderheid in verschijnen. Daarom worden ze vaak gebruikt voor beeldvorming.
Het AIT-team maakte gebruik van dit effect: met behulp van verschillende elementstandaarden werd een kalibratie van de helderheid via het atoomnummer gemaakt om het gemiddelde atoomnummer van elk punt op een monster te bepalen. Het atoomnummer is gelijk aan het aantal protonen in de kern van elk atoom van dat element. Door de informatie te combineren met een conventionele EDS-meting, kan het lithiumgehalte voor elk punt worden berekend; zelfs voor zeer kleine hoeveelheden lithium.
Ruimtelijke resolutie
Met de methode kan men niet alleen het algemene lithiumgehalte bepalen, maar ook ruimtelijke metingen verrichten – op micrometerschaal en zelfs daaronder. De ruimtelijke resolutie is van essentieel belang, aangezien er in dergelijke metaallegeringen niet alleen vaste oplossingen bestaan, maar ook intermetallische fasen, legt Österreicher uit. De samenstelling van deze laatste verschilt aanzienlijk van de globale samenstelling van de legering. Deze intermetallische legeringen kunnen zowel positieve als negatieve effecten hebben. Daarom is hun doelgerichte ontwerp van groot belang. Met behulp van ruimtelijke meetmethoden kunnen de samenstelling, grootte en verdeling van de intermetallische fasen worden vastgesteld.
Toepassingen
Er werd een internationale octrooiaanvraag ingediend voor de nieuwe methode. Deze werd gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift “Scripta Materialia”. Vervolgens is AIT een strategische samenwerking aangegaan met het bedrijf Gatan uit Californië (VS) om de methode verder te ontwikkelen en op de markt te brengen. De eerste gezamenlijke werkzaamheden bevestigen het potentieel van de methode.
In AIT’s Light Metals Competence Centre wordt de innovatie gebruikt voor de verdere ontwikkeling van hoogwaardige materialen uit magnesium-aluminium-lithiumlegeringen. In AIT’s Battery Lab vergemakkelijkt de nieuwe meetmethode het onderzoek naar nieuwe batterijmaterialen.
Het doel van het batterijonderzoek is de opslagcapaciteit en de levensduur van de batterijen te verhogen. De capaciteit van de batterij mag zelfs na enkele duizenden laadcycli niet te veel afnemen. Dit vereist niet in de laatste plaats materialen met gunstige eigenschappen.
“In de toekomst kan de methode ertoe leiden dat dergelijke onderzoeksprocessen gerichter en sneller verlopen. Omdat dergelijke metingen dan gemakkelijker kunnen worden uitgevoerd dan met de dure en ingewikkelde methoden die in het begin werden genoemd”, aldus Österreicher.
Ook interessant: Uitvinder lithium-ion-accu: “Volgende uitdaging is duurzaam maken batterij”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
