Akkus verbessern 07.09.2016, 10:10 Uhr

Röntgenstrahlen enthüllen die Geheimnisse von Batterien

Mit einem neuartigen Mikroskop lässt sich die Nanowelt im Inneren von Batterien beobachten. Das gibt Forschern die Möglichkeit, zerstörerische Inhomogenitäten zu beheben. Und damit Kapazität und Lebensdauer der Akkus zu erhöhen.

Mittels Röntgenmikroskopie ist es Forschern gelungen, die Vorgänge im Innern einer Batterie beim Laden und Entladen zu filmen.

Mittels Röntgenmikroskopie ist es Forschern gelungen, die Vorgänge im Innern einer Batterie beim Laden und Entladen zu filmen.

Foto: Chueh Lab

Was genau in Lithium-Ionen-Akkus passiert, wenn sie geladen und entladen werden, ist auch nach vielen Forschungsjahren unbekannt. Immer noch kann es vorkommen, dass diese Stromspeicher in Flammen aufgehen wie gerade wieder die in den neuesten Smartphones von Samsung. Der koreanische Hersteller musste die Geräte aus dem Verkehr ziehen.

Wüsste man, was auf der Nanoebene im Inneren der Batterien geschieht, ließe sich durch eine veränderte Konstruktion nicht nur die Feuergefahr bannen. Die Akkus ließen sich schneller laden, erreichten eine höhere Kapazität und hielten länger.

Zeitlupenfilm aus dem Inneren des Akkus

Jetzt haben Forscher in Kalifornien den Grundstein zum Verständnis der Vorgänge im Inneren von Akkus gelegt. Sie lenkten scharf gebündelte, gepulste Röntgenstrahlen – erzeugt im Elektronenbeschleuniger des Lawrence Berkeley National Laboratory – auf einen Akku.

Im Hintergrund ist der Elektronenbeschleuniger des Lawrence Berkeley National Laboratory zu sehen, mit dem das Forscher-Team erfoglreich geheimnisvolle Vorgänge im Innern von Batterien erkunden konnten. 

Im Hintergrund ist der Elektronenbeschleuniger des Lawrence Berkeley National Laboratory zu sehen, mit dem das Forscher-Team erfoglreich geheimnisvolle Vorgänge im Innern von Batterien erkunden konnten. 

Quelle: Paul Mueller/Lawrence Berkeley National Laboratory

Beim Passieren wurden sie abgelenkt und anschließend von einem Detektor erfasst. Aus dem Grad der Ablenkung ließ sich ermitteln, was in der Batterie geschah, als sie geladen beziehungsweise entladen wurde. Mit einer speziell für dieses Experiment entwickelten Technik gelang die Auswertung nahezu in Echtzeit. Es entstanden gewissermaßen Zeitlupenfilme der Vorgänge in der Batterie.

Mechanische Spannungen belasten den Akku

Der Blick in die Nanowelt der Batterie förderte Erstaunliches zutage. Wird die Batterie geladen gibt die Lithium-Eisen-Phosphor-Kathode Lithium-Ionen ab. Sie wandern durch den Elektrolyten zur Anode. Wird sie entladen kehrt sich der Vorgang um. Das war es nicht, was die Wissenschaftler überraschte, sondern die Tatsache, dass es Regionen gibt, die große Mengen an Ionen aufnehmen beziehungsweise wieder abgeben, und andere, die ausgesprochen träge reagieren. Dieses Phänomen verstärkt sich noch, je älter der Speicher ist. Dieses Ungleichgewicht kann zu mechanischen Spannungen führen, die den Akku mit der Zeit zerstören.

Beim Laden des Akkus kann das Galaxy Note 7 in Brand geraten. Samsung startete deswegen einen Rückruf. 

Beim Laden des Akkus kann das Galaxy Note 7 in Brand geraten. Samsung startete deswegen einen Rückruf. 

Quelle: Ritchie B. Tongo/dpa

„Wir haben jetzt einen Weg gefunden, diesen Prozess in Echtzeit zu verfolgen“, sagt David Shapiro, ein Physiker, der an der Advanced Light Source – so die Bezeichnung der Röntgenlichtquelle – von Berkeley arbeitet. „Das wird den Forschern helfen, den Prozess zu verstehen und ihn zu optimieren.“

Bald gibt es ein noch besseres Mikroskop

Shapiro und sein Team arbeiten jetzt an einem neuen Röntgenmikroskop, das eine zehnmal größere Auflösung hat als das jetzige. Damit lassen sich auch die kleinsten Partikel beobachten, die an den Prozessen innerhalb der Batterie beteiligt sind. Außerdem soll es möglich sein, die Geschehnisse in größeren Bereichen zu beobachten.  „Bisher war es möglich, das Verhalten einer kompletten Batterie zu erforschen“, sagt Jongwoo Lim, Co-Autor des Beitrags im Fachblatt „Science“. „Jetzt können wir beobachten und verstehen, wie sich einzelne Teilchen der Batterie beim Laden und Entladen verhalten.“

Wenn Sie sich auch noch über einen Akku, der die Reichweite von Elektroautos verfünffachen wird, informieren wollen, dann klicken Sie hier. Lesen Sie wie Jülicher Forscher ein entscheidendes Hindernis für den Alltagsbetrieb einer solchen Hochleistungsbatterie, die zudem noch konkurrenzlos billig ist, beseitigt haben. 

Von Wolfgang Kempkens
Von Wolfgang Kempkens

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