„Neutronenstrahlung ist ein unverzichtbares Werkzeug“

Um Energie in Zukunft noch effizienter zu speichern, versuchen Forscher, die Batterieleistung weiter zu verbessern. Unter anderem ist es wichtig, die komplexen Vorgänge beim Laden und Entladen im Detail zu verstehen. Im Interview mit Welt der Physik erklärt Anatoly Sinyshin von der Technischen Universität München, wie der Ladevorgang von Hochleistungsbatterien im laufenden Betrieb mit Neutronenstrahlung und hochbrillanter Röntgenstrahlung untersucht werden kann.

Physics World: Was sind die gängigsten Batterietypen?

Bild des Wissenschaftlers Anatoly Sinesian, der an einem Gerät arbeitet

Anatoly Sinyshin: Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien wurden in den letzten Jahren entwickelt. Sie sind leicht und leistungsstark zugleich, weil sie eine große Energiedichte haben, d.h. sie können viel Energie in einem kleinen Akku speichern. Es gibt jedoch viele Arten von Akkus, die je nach Bedarf verwendet werden: Einige haben eine hohe Kapazität, bieten jedoch keinen hohen Strom. Dies sind in der Regel wiederaufladbare Batterien, die in Mobiltelefonen verwendet werden. Sie benötigen eine gewisse Ladezeit, speichern dafür aber Strom für eine lange Lebensdauer. Sogenannte Hochleistungsbatterien hingegen haben eine deutlich geringere Kapazität und sind daher weniger langlebig. Andererseits lassen sie sich sehr schnell aufladen und bieten zudem eine hohe Stromstärke. In unseren neusten Tests haben wir wiederaufladbare Akkus mit hoher Kapazität getestet.

Auch Lesen :  Ukraine: Luftalarm bei Steinmeier-Besuch – Gespräche im Schutzkeller

Wofür werden solche Hochleistungsbatterien verwendet?

Solche Batterien werden unter anderem in Modellflugzeugen oder Autos verwendet. Sie sind aber auch für die Automobilindustrie wichtig, wenn beispielsweise beim Beschleunigen hohe Ströme bereitgestellt oder beim Bremsen Energie zurückgewonnen werden muss. Die von uns getesteten Batterien verwenden Lithiumeisenphosphat, ein gängiges Material für Hochleistungsbatterien. Ein solcher Akku lässt sich in zwölf Minuten voll aufladen, ein Handyakku hat aber nur ein Drittel.

Was war der Zweck Ihres Experiments?

Wir wollen die heutigen Batteriemodelle noch besser machen. Aber auch für alle Akkus gilt: Sie sind bereits das Produkt jahrzehntelanger Entwicklung und ähnlich komplex. Es ist also immer eine schwierige Aufgabe, sie besser zu machen. Wenn Sie eine Eigenschaft verbessern, können Sie eine andere verschlechtern. Wir haben nun zerstörungsfreie Prüfverfahren entwickelt, die einen genaueren und tieferen Blick auf Batterien ermöglichen – während sie in Betrieb sind.

Mit welchen Methoden haben Sie gearbeitet?

Wir haben den Akku im Betrieb – also beim Laden und Entladen – mit mehreren Methoden getestet. Wir haben sowohl Neutronen- als auch Röntgenstrahlung verwendet und verschiedene Arten der Beugung untersucht. Sie tritt auf, wenn Strahlen, die durch ein Material gehen, auf besondere Weise gebrochen werden. Durch ausgefeilte und datenintensive Analysen können wir Informationen über die Zusammensetzung von Materialien und insbesondere strukturelle Veränderungen beim Laden und Entladen gewinnen. Beide Strahlungsarten – Neutronen und Röntgenstrahlen – haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile. Durch den Vergleich und die Kombination der Ergebnisse haben wir ein besseres Verständnis dafür, was passiert, wenn diese Arten von Batterien betrieben werden.

Auch Lesen :  Wirtschaft und Gewerkschaften fordern Härtefallfonds

Welche Vorteile haben Neutronen und Röntgenstrahlen?

Das Bild zeigt eine Batterie in Stabform, die auf zwei Lichtstrahlen zeigt und einen Querschnitt zeigt.

Sehen Sie Hochleistungsbatterien im Einsatz

Gerade bei leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium bietet Neutronenstrahlung einen besseren Kontrast als Röntgenstrahlung. Neutronenstrahlung ist daher ein unverzichtbares Werkzeug, insbesondere für erneuerbare Energieanwendungen wie wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen, Wasserstoffspeichermedien oder Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings ist die Ortsauflösung bei unseren Experimenten an der Neutronenquelle FRM II in Greching bei München nicht so scharf wie bei den Röntgenanalysen und im Millimeterbereich. Deshalb haben wir auch Experimente mit hochbrillanter Synchrotron-Röntgenstrahlung durchgeführt. Wir konnten eine Auflösung von etwa 30 Mikrometern erreichen, also ein etwa hundertmal schärferes Bild. Da die meisten Batteriestrukturen – wie die Trennfolie zwischen Kathode und Anode – im Submillimeterbereich liegen, ist diese räumliche Auflösung entscheidend für vollständige Neutronenmessungen.

Auch Lesen :  Abou-Chaker: Clan-Mitglied in den Libanon abgeschoben

Was haben Sie mit den neuen Methoden entdeckt?

Wir haben die verschiedenen Teile der Batterie untersucht und sie dann zu einem Bild zusammengefügt. Wir konnten die ungleichmäßige Verteilung von Lithium-Ionen feststellen. Solche Inhomogenitäten behindern den Ionenaustausch zwischen der Kathode und der Anode und verringern somit den Wirkungsgrad. Indem sie genau analysieren, wann und wo diese Prozesse stattfinden, können Ingenieure dann versuchen, solche Auswirkungen zu minimieren.

Für die Industrie sind solche Prozesse wohl sehr interessant, oder?

Wir haben bereits Anfragen von Industriepartnern, dass diese Art der Analyse wichtige Erkenntnisse liefern kann. Angesichts der wachsenden Bedeutung von erneuerbaren Energien oder Elektromobilität werden solche zerstörungsfreien Prüfverfahren in Zukunft sicherlich an Bedeutung gewinnen. Dafür wollen wir unsere Methoden weiter verbessern, damit eine schnelle Auswertung möglich ist.

Source

Leave a Reply

Your email address will not be published.

In Verbindung stehende Artikel

Back to top button