Mit „weicher“ Röntgenstrahlung Batterien beim Laden zuschauen
Das neue Messinstrument NAPXAS (Near Ambient Pressure X-ray Absorption Spectroscopy) wurde an der Weichröntgen-Analytik-Anlage WERA des IQMT an der KIT Light Source des Karlsruhe Research Accelerator (KARA) aufgebaut. Es macht Flüssigkeiten für die Synchrotronforschung zugänglich und soll damit die Energiespeicherprozesse erlebbar machen.
„Synchrotronstrahlung ist elektromagnetische Strahlung aus Teilchenbeschleunigern, beispielsweise in Form von weicher Röntgenstrahlung“, erklären die KIT-Forscher um Dr. Peter Nagel vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT), der die Arbeiten aufseiten des KIT leitet. Diese Strahlung schaffe Einblicke in die innere Struktur und Funktionsweise von Materialien, was bei der Entwicklung von Spitzentechnologien eine wichtige Rolle spiele.
Für die Forschung an elektrochemischen Speichern für die Energiewende ist weiche Röntgenstrahlung (mit Wellenlängen um ein bis zwei Nanometer) dem Team zufolge 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“, erklärt Nagel. „Um ganze Ladezyklen zu betrachten, mussten diese Arbeitsschritte dann an Hunderten unterschiedlich präparierten Batterien durchgeführt werden.“
Das soll sich nun ändern – das neue Messinstrument reduziert den Aufwand deutlich. „Mit NAPXAS können Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Energiespeichersystemen quasi unter nasschemischen Normalbedingungen spektroskopisch untersucht werden, und zwar live, während der Energiespeicher betrieben wird“, so Nagel.
Die Grenzen der Lithium-Ionen-Technologie überwinden
Zum Einsatz kommt NAPXAS zunächst im Rahmen des Forschungsprojektes LimLi (Überwinden von Limitierungen in Li-Ionen-Batterien) der Universität Münster. Ziel ist es zu verstehen, „was die Energiespeicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien auf atomarer Ebene begrenzt, um diese Grenzen überwinden zu können“, erläutert Dr. Karin Kleiner, die die Forschungsarbeiten für das MEET (Münster Electrochemical Energy Technology)-Batterieforschungszentrum der Universität Münster leitet. Durch eine systematische Veränderung der aktiven Zentren in Batteriematerialien sollen neue, effizientere Energiespeicher und -wandler entwickelt werden.
Internationale Forschung ermöglichen
Aktuell läuft eine Testphase, in der die neue Messeinrichtung optimiert wird. 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 will man Forschenden weltweit die Nutzung des neuen NAPXAS-Messinstruments ermöglichen.
Die Sachmittel für NAPXAS werden über das Forschungsprojekt LimLi vom Bundesministerium für Bildung und Forschung zur Verfügung gestellt.