Batterien auf molekularer Ebene beim Laden zuschauen – das wollen Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Münster mithilfe des neuen Messinstruments NAPXAS am Karlsruhe Research Accelerator (KARA). Es macht Flüssigkeiten für die Synchrotronforschung zugänglich und ermöglicht damit einzigartige Einblicke in Energiespeicherprozesse.
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 Nanometer) optimal geeignet, sie war bislang aber nur bedingt einsetzbar. „Das Batteriematerial musste unter Schutzgas aufwendig extrahiert, getrocknet, auf geeignete Probenträger aufgeklebt und – ohne Kontamination durch Luft oder Feuchtigkeit – in das Vakuum einer Messkammer übertragen werden“, sagt Dr. Peter Nagel vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT. „Um ganze Ladezyklen zu betrachten, mussten diese Arbeitsschritte dann an Hunderten unterschiedlich präparierten Batterien durchgeführt werden.“
Das soll sich nun mit dem neuen Messinstrument NAPXAS (steht für: 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. Damit könnten Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Energiespeichersystemen quasi unter nasschemischen Normalbedingungen spektroskopisch untersucht werden, während der Energiespeicher betrieben wird.
Grenzen der Lithium-Ionen-Technologie neu vermessen
Eingesetzt wird NAPXAS zunächst im Forschungsprojekt LimLi (steht für: Überwinden von Limitierungen in Li-Ionen-Batterien) der Universität Münster. Dr. Karin Kleiner, welche die Forschungsarbeiten für das MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) Batterieforschungszentrum der Universität 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.“
