Batterien auf molekularer Ebene beim Laden zuschauen – das wollen Forschende des KIT Karlsruher Institut für Technologie 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. Dr. Peter Nagel, IQMT Institut für QuantenMaterialien und Technologien des KIT, erläutert, dass das Batteriematerial unter Schutzgas aufwendig extrahiert, getrocknet, auf geeignete Probenträger aufgeklebt und – ohne Kontamination durch Luft oder Feuchtigkeit – in das Vakuum einer Messkammer übertragen werden musste. Um ganze Ladezyklen zu betrachten, mussten diese Arbeitsschritte dann an Hunderten unterschiedlich präparierten Batterien durchgeführt werden.
Das soll sich jetzt mit dem neuen Messinstrument NAPXAS (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 laut P. Nagel, der die Arbeiten aufseiten des KIT leitet, Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Energiespeichersystemen quasi unter nasschemischen Normalbedingungen spektroskopisch untersucht werden, und zwar live, während der Energiespeicher betrieben wird.
Grenzen der Lithium-Ionen-Technologie neu vermessen
Eingesetzt wird NAPXAS zunächst im Forschungsprojekt LimLi (Überwinden von Limitierungen in Li-Ionen-Batterien) der Universität Münster. Dr. Karin Kleiner, Leiterin der Forschungsarbeiten für das MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) Batterieforschungszentrum der Universität Münster, erklärt, dass es Ziel ist, zu verstehen, was die Energiespeicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien auf atomarer Ebene begrenzt, um diese Grenzen überwinden zu können. Die Kombination aus theoretischen und innovativen experimentellen Ansätzen ermöglichen einzigartige Einblicke in Energiespeicherprozesse. Das Ziel ist es, durch eine systematische Veränderung der aktiven Zentren in Batteriematerialien neue, effizientere Energiespeicher und -wandler zu entwickeln.
International für die Forschung verfügbar
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, Forschenden 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 BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn/Berlin, zur Verfügung gestellt.
