Grenzen der Li-Ionen-Technologie neu vermessen

Synchrotronstrahlung ist elektromagnetische Strahlung aus Teilchenbeschleunigern, beispielsweise in Form von weicher Röntgenstrahlung, die Einblicke in die innere Struktur und Funktionsweise von Materialien ermöglicht. Für die Forschung an elektrochemischen Speichern für die Energiewende ist weiche Röntgenstrahlung (mit Wellenlängen um ein bis zwei Nanometer) optimal geeignet, 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. 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 (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 lassen sich Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Energiespeichersystemen quasi unter nasschemischen Normalbedingungen spektroskopisch untersuchen, und zwar live, während der Energiespeicher läuft.

Tiefe Einblicke in Speicherprozesse

Zum Einsatz kommt Napxas zunächst im Forschungsprojekt LimLi (Limitierungen in Li-Ionen-Batterien) der Universität Münster. Die Forscher 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 sie einzigartige Einblicke in Energiespeicherprozesse. Ziel ist es, durch eine systematische Veränderung der aktiven Zentren in Batteriematerialien effizientere Energiespeicher und -wandler zu entwickeln.

In der aktuell laufenden Testphase wird die neue Messeinrichtung optimiert. Die für die Messungen notwendige Synchrotronstrahlung stellt KARA bereit, betrieben als Beschleuniger-Test-Facility und als KIT Light Source durch das Institut für Beschleunigerphysik und Technologie. Nach Abschluss dieser Testphase sollen Forscher weltweit das neue Napxas-Messinstrument bei Wera über die Karlsruhe Nano Micro Facility nutzen können, einer Hightech-Plattform zur Forschung an Funktionsmaterialien im Mikro- und Nanobereich. Die Sachmittel für Napxas stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung über das Forschungsprojekt LimLi zur Verfügung.