Batterieforschung mit Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung ist elektromagnetische Strahlung aus Teilchenbeschleunigern, beispielsweise in Form von weicher Röntgenstrahlung. Sie ermöglicht Einblicke in die innere Struktur und Funktionsweise von Materialien und spielt damit bei der Entwicklung von Spitzentechnologien eine wichtige Rolle. Für die Forschung an elektrochemischen Speichern für die Energiewende ist weiche Röntgenstrahlung mit Wellenlängen um ein bis zwei Nanometern optimal geeignet, sie war bislang aber nur bedingt einsetzbar. „Das Batteriematerial musste unter Schutzgas aufwändig extrahiert, getrocknet, auf geeignete Probenträger aufgeklebt und – ohne Kontamination durch Luft oder Feuchtigkeit – in das Vakuum einer Messkammer übertragen werden“, erläutert Peter Nagel vom Institut für Quantenmaterialien und Technologien des Karlsruher Instituts für Technologie. „Um ganze Ladezyklen zu betrachten, mussten diese Arbeitsschritte dann an Hunderten unterschiedlich präparierten Batterien durchgeführt werden.“

Das soll sich mit dem neuen Messinstrument NAPXAS – der „Near Ambient Pressure X-ray Absorption Spectroscopy – ändern, das an der Weichröntgen-Analytik-Anlage WERA des IQMT an der KIT Light Source des Karlsruhe Research Accelerator KARA aufgebaut wurde. „Mit NAPXAS können Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Energiespeichersystemen unter nasschemischen Normalbedingungen spektroskopisch untersucht werden, und zwar live, während der Energiespeicher betrieben wird“, erklärt Nagel, der die Arbeiten aufseiten des KIT leitet.

Eingesetzt wird NAPXAS zunächst im Forschungsprojekt „Überwinden von Limitierungen in Li-Ionen-Batterien“ LimLi der Uni Münster. Karin Kleiner, welche die Forschungsarbeiten für das Batterieforschungszentrum MEET der Uni Münster leitet, erklärt: „Wir wollen verstehen, was die Energiespeicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien auf atomarer Ebene begrenzt, um diese Grenzen überwinden zu können. Durch die Kombination aus theoretischen und innovativen experimentellen Ansätzen erhalten wir einzigartige Einblicke in Energiespeicherprozesse. Unser Ziel ist es, durch eine systematische Veränderung der aktiven Zentren in Batteriematerialien neue, effizientere Energiespeicher und -wandler zu entwickeln.“

In der aktuell laufenden Testphase wird die neue Messeinrichtung optimiert. Die für die Messungen notwendige Synchrotronstrahlung wird von KARA bereitgestellt, der als Beschleuniger-Test-Facility und als KIT Light Source durch das Institut für Beschleunigerphysik und Technologie betrieben wird. Nach Abschluss dieser Testphase ist beabsichtigt, Forschern weltweit die Nutzung des neuen NAPXAS-Messinstruments bei WERA über die Karlsruhe Nano Micro Facility zu ermöglichen, einer Hightech-Plattform zur Forschung an Funktionsmaterialien im Mikro- und Nanobereich. Die Sachmittel für NAPXAS werden über das Forschungsprojekt LimLi vom Bundesministerium für Bildung und Forschung zur Verfügung gestellt.

KIT / RK