Nano-Technologie für die Batterien der Zukunft
Das Helmholtz-Institut Münster erhält ein neues Rasterkraftmikroskop, das Forscher*innen die Weiterentwicklung von Batterien auf atomarer Ebene ermöglicht.
03. November 2021 – Seit Oktober 2021 steht ein neues Gerät in der Größe eines Kaffeevollautomaten im Chemielabor. Die Freude des Forscherteams am Helmholtz-Institut Münster (HI MS; IEK-12) des Forschungszentrums Jülich ist groß, denn das neue Rasterkraftmikroskop „Atomic Force Microscope“ (AFM) erlaubt Batterieforschung im Nanobereich.
„Das AFM ermöglicht uns, lokale Oberflächen einer Probe bis hin zur atomaren Ebene und mit extrem hoher Auflösung zu untersuchen,“ erklärt Dr. Kerstin Neuhaus vom HI MS. Sie ist auf Mikroskopische Analysen sowie Festkörperelektrolyte spezialisiert und wird das Gerät betreuen.
Mit einer feinen Messspitze des Geräts werden Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode sowie Ungleichmäßigkeiten an Materialoberflächen in Batteriezellen charakterisiert. Das bildgebende Verfahren zeigt beispielsweise Kontaktprobleme an Grenzflächen auf, die zu einem Leistungsverlust des Energiespeichers führen. „Mithilfe des AFM werden wir diese Schwachstellen besser erkennen, analysieren und beheben können,“ so Neuhaus.
Dabei sind die Anwendungsmöglichkeiten des neuen Mikroskops extrem vielfältig – von Feststoffen über Hybride bis zu Flüssigsystemen. Die neue Anschaffung umfasst auch eine elektrochemische Messzelle für operando-Experimente, sodass bestimmte Gegebenheiten in Batteriezellen nachgestellt und im Betrieb – also während des Lade- und Entladevorgangs – untersucht werden können.
Die kleinskalige elektrochemische Analytik in Kombination mit einer Probentopographie eröffnet den Wissenschaftler*innen einen komplementären Ansatz zu elektronenmikroskopischen Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie der Analytik zur Bestimmung lokaler Probenchemien durch beispielsweise Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). In Kooperationen des HI MS, des MEET Batterieforschungszentrums und des Instituts für Anorganische Chemie der WWU Münster konnten bereits Beschichtungen auf Lithium-Metall und Elastizitätsunterschiede von verschiedenen Polymermembranen charakterisiert werden.
Ende Oktober erfolgte die Installation des AFM und ein Training des Teams am HI MS. Nun ergeben sich viele Möglichkeiten an bestehende Forschungsfragen, wie beispielsweise zu neuentwickelten Materialien, zum Lithium-Dendritenwachstum und zu Alterungsprozessen, anzuknüpfen.