Neues aus der Batterieforschung

Veronika Zinth und Stefan Seidlmayer beim Experiment mit der Natrium Metall Halogenid Batterie am Instrument Stress-Spec. © M. Hofmann/TUM

Weltweit ist die Batterieforschung eines der am intensivsten bearbeiteten Forschungsgebiete, weil aus den unterschiedlichsten Gründen der Bedarf an Energiespeichern rasant wächst. Auch am MLZ forschen mehrere Arbeitsgruppen mit verschiedenen Methoden daran und versuchen mit Hilfe von Neutronen Erkenntnisse zur Funktionsweise von Batterien beizutragen. Dazu sind kürzlich zwei neue Publikationen erschienen:

Veronika Zinth hat mit ihren Kollegen sogenannte ZEBRA-Batterien (Natrium-Metall-Halogenid-Batterien) während Ladung und Entladung untersucht, um die Prozesse, die dabei an der Kathode stattfinden, genauer beschreiben zu können. Da in dem untersuchten Batterietyp nicht nur zwei verschiedene Elemente, Eisen und Nickel, eingesetzt werden, die an den elektrochemischen Prozessen teilnehmen, sondern die Batterie auch eine Kathode mit mehreren cm Durchmesser besitzt, war bisher nicht klar, welche Reaktionen zu welchen Zeitpunkten an welchen Orten stattfinden. Dafür setzten die Wissenschaftler die räumlich aufgelöste Neutronenbeugung des Instruments STRESS-SPEC ein und konnten damit erstmals eine nach Ort und Zeit aufgelöste „Karte“ der verschiedenen Reaktionen erstellen. Veronika Zinth erläutert das Ergebnis: „Mit der Neutronenbeugung war es möglich, jede einzelne Reaktion und ihre Beziehung untereinander im Innern der Zelle zur gleichen Zeit zu untersuchen. Die Studie ist eine gute Grundlage für künftige Verbesserungen in der Zusammensetzung der Kathoden, um die Energiedichte einer solchen Batterie noch zu erhöhen.“

Ladung und Entladung einer Lithiumzelle verlaufen kontinuierlich an beiden Polen über eine Reihe von Zwischenstufen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Dabei wird das Lithium an Kathode und Anode in das jeweilige Material eingebaut. Das Instrument SANS-1 am MLZ diente Stefan Seidlmayer dazu, diesen Lithiierungsprozess in einer herkömmlichen Lithiumbatterie auf einer Nanoskala zu beobachten. Zusammen mit Einkomponenten-Messungen und der Bestimmung der Streulängendichte bietet die Neutronenkleinwinkelstreuung die Möglichkeit, Bildung und Reaktionsverlauf über die verschiedenen Lithium-Zwischenprodukte während des Lade- und Entladevorgangs zu messen. In diesen ersten Experimenten betrug die Zeitauflösung 10 Minuten, Seidlmayer und seine Kollegen arbeiten daran, schnellere Messungen in ein bis zwei Minuten machen zu können. Den Grund erklärt Seidlmayer so: „Wir wären dann in der Lage, auch die Kinetik der Lithiumablagerung noch genauer zu untersuchen, was entscheidend dazu beitragen könnte, die Lebensdauer von Lithiumbatterien zu verlängern.“