In Situ Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy Studies of Lithium-Oxygen Redox Reactions

The lack of fundamental understanding of the oxygen reduction and oxygen evolution in nonaqueous electrolytes significantly hinders the development of rechargeable lithium-air batteries. Here we employ a solid-state Li4+xTi5O12/LiPON/LixV2O5 cell and examine in situ the chemistry of Li-O2 reaction products on LixV2O5 as a function of applied voltage under ultra high vacuum (UHV) and at 500 mtorr of oxygen pressure using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (APXPS). Under UHV, lithium intercalated into LixV2O5 while molecular oxygen was reduced to form lithium peroxide on LixV2O5 in the presence of oxygen upon discharge. Interestingly, the oxidation of Li2O2 began at much lower overpotentials (~240 mV) than the charge overpotentials of conventional Li-O2 cells with aprotic electrolytes (~1000 mV). Our study provides the first evidence of reversible lithium peroxide formation and decomposition in situ on an oxide surface using a solid-state cell, and new insights into the reaction mechanism of Li-O2 chemistry.National Science Foundation (U.S.) (Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) Program, Award DMR-0819762)United States. Dept. of Energy (Assistant Secretary for Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of FreedomCAR and Vehicle Technologies of the U. S. Department of Energy under contract no. DE-AC03-76SF00098)Lawrence Berkeley National LaboratoryUnited States. Dept. of Energy (Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering

Experimental routes to in situ characterization of the electronic structure and chemical composition of cathode materials for lithium ion batteries during lithium intercalation and deintercalation using photoelectron spectroscopy and related techniques

Three different experimental routes to in situ characterization of electronic structure and chemical composition of thin film cathode surfaces used in lithium ion batteries are presented. The focus is laid on changes in electronic structure and chemical composition during lithium intercalation and deintercalation studied by photoelectron spectroscopy and related techniques. At first, results are shown obtained from spontaneous intercalation into amorphous or polycrystalline V2O5 thin films after lithium deposition. Although this technique is simple and clean, it is nonreversible and only applicable to the first lithium intercalation cycle into the cathode only to be applied to host materials stable in the delithiated stage. For other cathode materials, as LiCoO2, a real electrochemical setup has to be used. In our second approach, the experiments are performed in a specially designed electrochemical cell directly connected to the vacuum system. First experimental results of RF magnetron sputtered V2O5 and LiCoO2 thin film cathodes are presented. In the third approach, an all solid-state microbattery cell must be prepared inside the vacuum chamber, which allows electrochemical processing and characterization by photoelectron spectroscopy in real time. We will present our status and experimental difficulties in preparing such cells

Untersuchung des Sputter-Ätzens auf die Eigenschaften von PVD-CrN-Hartstoffschichten auf Magnesium AZ91hp

Eine gängige Methode, zu beschichtende Oberflächen von Verunreinigungen zu befreien und die Adhäsionseigenschaften von PVD-Schichten zu verbessern, ist das sogenannte Sputter-Ätzen vor dem eigentlichen PVD-Beschichtungsprozess. Beim Sputter-Ätzen wird der Beschichtungsprozess umgekehrt und die Oberfläche des Substrates selbst wird gesputtert. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wurden vor der Abscheidung von PVD-CrN Schichten die Substrate der Magnesium Druckgusslegierung AZ91 unterschiedlichen Ätzzeiten unterzogen und deren jeweiliger Einfluss auf die Grenzfläche Schicht-Grundwerkstoff, auf die Schichtoberfläche und auf die mechanischen Eigenschaften des beschichteten Systems hin untersucht. Die Grenzflächenuntersuchungen wurden mit tiefenaufgelöster XPS und mit SIMS durchgeführt. Die Oberflächen wurden mit hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie und AFM untersucht. Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften beinhaltet Schichtdicke, Schichthärte, Härtetiefenprofile, Schichthaftung, Schichteigenspannungen und die Schichtstruktur. Es wurden zum Teil sehr starke Eigenschaftsänderungen mit zunehmender Ätzzeit festgestellt. Dies betrifft vor allem einige mechanische Eigenschaften sowie die Oberflächenrauheit der beschichteten Systeme. Beim Schichtsystem AZ91-Cr/CrN führen längere Ätzzeiten zu einer Verbesserung der Schichtqualitäten