Batterien ohne kritische Rohstoffe
Mit operando-Methoden lässt sich beobachten, wie sich solvatisierte Ionen in Batterie-Elektroden einlagern. Die Erkenntnisse sind hilfreich, um alternative Batteriekonzepte zu entwickeln. © G. A. Ferrero
Der Markt für wiederaufladbare Batterien wächst schnell, aber die benötigten Rohstoffe sind begrenzt. Eine Alternative könnten zum Beispiel Natrium-Ionen-Batterien sein. Eine gemeinsame Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat dafür neue Kombinationen von Elektrolytlösungen und Elektrodenmaterialien untersucht.
"Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die auf der Speicherung von Lithium-Ionen in der positiven und negativen Elektrode der Batterie basieren, arbeiten wir mit Natrium-Ionen, wie sie auch in billigem Kochsalz vorkommen. Dazu speichern wir die Natrium-Ionen zusammen mit ihrer Solvathülle, also Lösungsmittelmolekülen aus der Elektrolytlösung, die die beiden Elektroden trennen. Damit lassen sich völlig neue Speicherreaktionen realisieren", erklärt Prof. Philipp Adelhelm, der die Forschungsgruppe "operando battery analysis" leitet, die 2020 gemeinsam von Humboldt-Universität und Helmholtz-Zentrum Berlin gegründet wurde.
Diese Einlagerung von Ionen in Begleitung ihrer Solvatationshülle in einem Kristallgitter bezeichnet man als Ko-Interkalation. Bislang war dieses Konzept auf die negative Elektrode der Natrium-Ionen-Batterie beschränkt. Nun ist es dem Team um Adelhelm gelungen, das Konzept auf die positive Elektrode der Batterie auszuweiten. Dr. Guillermo A. Ferrero, Erstautorin der Veröffentlichung, erklärt: "Mit Titandisulfid und Graphit haben wir zum ersten Mal zwei Materialien kombiniert, die während des Ladens und Entladens der Batterie dasselbe Lösungsmittel aufnehmen und abgeben". Mit Operando-Messungen am Röntgen-Corelab des HZB (LIMAX 160) ließen sich Veränderungen im Material während des Ladens und Entladens beobachten und der Mechanismus der Ko-Interkalation im Inneren der Batterie analysieren. Mit diesem Wissen gelang es dem Team, eine Batterie zu realisieren, bei der die Ko-Interkalation von Lösungsmittelmolekülen an beiden Elektroden reversibel ist.
"Wir beginnen gerade erst damit, Ko-Interkalationsbatterien zu verstehen. Es gibt einige Vorteile, die wir uns vorstellen können", erklärt Dr. Katherine A. Mazzio vom HZB: Der Prozess der Ko-Interkalation könnte die Effizienz verbessern, indem er eine bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Er könnte auch genutzt werden, um alternative Zellkonzepte zu verbessern, wie zum Beispiel die Verwendung mehrwertiger Ionen anstelle der Speicherung von Li+ oder Na+, die besonders empfindlich auf die Solvatationshülle reagieren.
Hinweis: Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Grant Agreement No. [864698], SEED).
- Kühlung von Impfstoffen im ländlichen Kenia: Solarlösung ausgezeichnetIm Mai ist Tabitha Awuor Amollo zu Gast am HZB und analysiert Perowskit-Solarzellen an BESSY II. Die kenianische Physikerin von der Egerton University in Nairobi wurde kürzlich für ihre Leistungen in Forschung und Lehre mit einem außerordentlichen Preis gewürdigt. Für die Entwicklung eines solarbetriebenen Kühlsystems, das in ländlichen Gesundheitszentren eingesetzt werden kann, erhielt sie den „2026 Organization for Women in Science for the Developing World (OWSD)–Elsevier Foundation Award“. Im Interview mit Antonia Rötger spricht sie über dieses außergewöhnliche Projekt, aber auch über die Schwierigkeiten, ein Labor am Laufen zu halten.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.