Nanoblick in die arbeitende Batterie

Leistungsfähige Energiespeicher spielen eine Schlüsselrolle für die Abkehr von fossilen Brennstoffen. Ein Beispiel für das große Innovationspotenzial von PETRA IV im Energiesektor ist die Entwicklung neuartiger und nachhaltiger Batterien. Innovative Materialien sollen ihre Kapazität und Lebensdauer erhöhen, Ladezeiten verringern und knappe Ressourcen schonen. Für viele Industriezweige steigt besonders der Bedarf an leichten und sehr sicheren Batterien – zum Beispiel für die Elektromobilität. Insgesamt werden immer kleinere Batterien benötigt,  und damit wird ihre Nanostrukturierung immer  wichtiger. Je kleiner die Batterie, desto anfälliger ist sie jedoch auch für kleinste Störungen.

Vielfach entstehen während des Betriebs Defekte, die die Leistung der Batterie einschränken und zum Sicherheitsrisiko werden können. PETRA IV bietet die notwendige Detailschärfe, um selbst extreme Formen wie Dünnschichtbatterien zu untersuchen und chemische Reaktionen an den Grenzflächen der Batterieschichten zu entschlüsseln. So können neue Materialien auf ihre Praxistauglichkeit getestet und mithilfe der Erkenntnisse kritische Defekte in Batterien vermieden werden. 

Mit heutigen Instrumenten sind vergleichbare Studien nicht möglich. Standardmethoden analysieren entweder realitätsferne Testbatterien oder aufgeschnittene, nicht mehr funktionsfähige Batterien. Experimente an PETRA IV werden erstmals detaillierte Einblicke in das Innenleben von arbeitenden Batterien ermöglichen. Damit überwindet PETRA IV bisherige messtechnische Grenzen.

Innovative Materialien  mit neuen Funktionalitäten

Durch die hohe räumliche Auflösung und die zerstörungsfreie Untersuchungsmethode von PETRA IV können funktionelle Abläufe in innovativen Materialien für die Energieversorgung im Detail studiert und dadurch verbessert werden.  Heutige Festkörperbatterien mit einem Elektrodenmaterial aus Schwefel – als günstigem und praktisch unbeschränkt vorhandenem Rohstoff – zeigen beim Laden und Entladen oft Ablösungen und Risse in der Elektrode, weil das Material sich ausdehnt und chemisch verändert. In kohlenstoffbasierten Festkörperbatterien sind verstopfte Poren des Elektrodenmaterials ein häufiger Auslöser für die Batteriealterung –  ähnlich einem verstopften Filter. An PETRA IV können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Ausbildung der Risse während des Batteriebetriebs erstmals genau verfolgen und einzelne Poren im Detail abbilden, um Lösungen gegen die Alterung aufzuzeigen.

Auf dem Weg zu ressourcenschonenden Batterien bietet beispielsweise Natrium, das aus Meerwasser gewonnen werden kann, heute schon einen möglichen Ersatz zum herkömmlich verwendeten Lithium. Allerdings reagieren die Meerwasserbatterien noch zu träge und haben eine zu geringe Energiedichte, um konkurrenzfähig zu sein. Mit PETRA IV können Fachleute der Frage nachgehen, wie der Ionentransfer für diese umweltfreundlichen Batterien beschleunigt und die Energiedichte erhöht werden kann, um sie zu einer realistischen Alternative beispielsweise in Zwischenspeichern von Kraftwerksanlagen für erneuerbare Energien zu machen. Die Röntgenstrahlen von PETRA IV machen sichtbar, wie sich die Nanostrukturen in Batterien während des Betriebs ändern. So entstehen mit der Zeit an den Elektroden kleinste metallische Ablagerungen. Diese Dendriten können wachsen und zu Defekten führen. An PETRA IV lassen sich solche Details untersuchen und dafür nutzen, funktionale Materialien für bessere Batterien zu entwickeln.