Details
Batterieforschung bei DESY Was Röntgenstrahlen über das Innenleben von Batterien verraten
Was passiert im Inneren der Batterie, wie ändert sich deren chemische Zusammensetzung während der Degradations- und Alterungsprozesse und was können Alternativen zu den heute genutzten Batterieformen sein? Mit Techniken der Röntgenanalytik lassen sich genau diese Fragestellungen unter Realbedingungen untersuchen.
„Hinsichtlich der Batterieforschung treiben Industrie und Wissenschaft die gleichen Fragestellungen um“, erläutert Alexander Schökel, Wissenschaftler bei DESY und mitverantwortlich für die Strahlführung für Pulverdiffraktion und Totalstreuung an der Röntgenlichtquelle PETRA. Es geht um mehr Effizienz, längere Lebensdauer, Weiterentwicklung und mögliche Alternativen zum heutigen Lithium-Ionen-Akku. Allesamt Fragestellungen, denen auch bei DESY nachgegangen wird.
Hochenergetische Röntgenstrahlung, wie sie an der Röntgenlichtquelle PETRA III bei DESY genutzt wird, hat den Vorteil, dass die Untersuchungen nicht-invasiv sind. Das Spektrum analytischer Methoden erlaubt die Verfolgung verschiedener Forschungsfragen. So untersuchte eine Arbeitsgruppe beispielsweise den „18650"-Akkutyp, der in Elektroautos sowie Notebooks und Bohrmaschinen Verwendung findet. Die Forschenden analysierten bis auf 20 Mikrometer genau das Verhalten des Lithiums in diesen Zellen während Lade- und Entladevorgängen. Die Ergebnisse zeigten ungleichmäßige Lithium-Konzentrationen um die Kontakte herum, welche die Effizienz und Leistung beeinträchtigen. Designänderungen können basierend auf diesen Erkenntnissen so umgesetzt werden, dass das Potenzial der Zellen optimiert wird. Weitere Untersuchungen des Teams beschäftigen sich mit der Haltbarkeit der Zellen nach Hunderten von Ladezyklen, die Messungen gewähren einen Live-Einblick, da diese während der jeweiligen Vorgänge stattfinden können. Gleichfalls können Untersuchungen auch bei verschiedenen Bedingungen, beispielsweise bei niedrigen oder hohen Temperaturen als auch unter höheren Druckzuständen, stattfinden.
Neben der Optimierung gängiger Batterien beschäftigen sich Teams bei DESY mit neuen Konzepten, unter anderem der Entwicklung nachhaltigen Batterien aus nachwachsenden Naturstoffen. Ein Beispiel: Peptide, organische Amino-Säuren-Verbindungen, die aus Getreide gewonnen werden. Hier werden elektrisch aktive Eigenschaften von Getreidepeptiden genutzt, um Energie zu speichern und freizusetzen. Diese Peptid-Batterien sind noch ganz am Anfang der Entwicklung, die Vision ist, langfristig eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Batterien herstellen zu können. Diese Bio-Akkus könnten sogar im Körper eingepflanzt werden, um medizinische Geräte wie Herzschrittmacher oder Hirnimplantate mit Strom zu versorgen oder intelligente Pflaster zur Überwachung von Vitalfunktionen zu betreiben.
Unternehmen wie auch andere Forschungsgruppen nutzen die analytischen Methoden an PETRA III. So untersuchte zum Beispiel eine Forschungsgruppe des Helmholtz-Zentrums Berlin Natrium-Ionen-Akkus unter anderem bei DESY darauf, wie und mit welchen Elementen das Kathodenmaterial so angereichert werden kann, um die Stabilität dieser Energiespeicher zu verbessern.
Veröffentlichungen und weitere Informationen:
· Untersuchungen für die Industrie – Einblick in das Innenleben von AAA-Batterien.
