Nächste Stufe der Grenzflächenanalyse
POLiS nimmt ein neues, vollautomatisiertes Röntgenphotoelektronenspektrometer (XPS) für seine Plattform zur beschleunigten Erforschung elektrochemischer Energiespeicherforschung (PLACES/R) in Betrieb. Das Besondere: Die Proben werden von Robotern in das Gerät gebracht und es misst viel schneller, als existierende Systeme. Bisher sind weltweit nur 9 Geräte dieser Art im Einsatz, welche unter Umweltbedingungen, wie sie in der Batterie vorliegen, messen können. Die vollautomatisierte Probeneinbringung und Programmierung von außen ist hierbei einzigartig.
Tenure-Track-Prof. Helge Stein (KIT), Forschungsbereichsprecher bei POLiS und Sprecher des Themas „Energiespeicherung“ im KIT Zentrum Energie, und sein Team analysieren zukünftig mithilfe des neuen XPS Grenzflächen und Interphasen von Batteriematerialien. Diese Grenzflächen bestimmen im erheblichem Maße, wie lange eine Batterie hält, erklären aber auch warum sie kaputt gehen. Das neue System ermöglicht es wesentlich schneller als je zuvor, die Korrosion von Batterien zu untersuchen - d.h. warum sich bestimmte Elektroden/Elektrolytkombinationen mit der Zeit zersetzen. Grenzflächen spielen in der Batterieforschung eine wichtige Rolle. Sie bilden sich in einer Zelle z.B. am Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt. Ihre Struktur, ihre chemische Zusammensetzung und ihr Zustand beeinflussen entscheidend die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit einer Batterie.
Nachdem die Probe in das Gerät gebracht wurde, wird ihre Oberfläche gereinigt und schließlich wird sie in die Analysekammer transportiert. Der Vorteil gegenüber klassischen XPS-Systemen ist die stark verkürzte Zeit von der Einbringung bis zur eigentlichen Messung. „Normalerweise muss man mit einigen Stunden oder bis zu einem Tag rechnen bis es zu einer Messung kommen kann, aufgrund der Automatisierung und der Messung des EnviroESCA bei Raumdruck dauert dieser Vorgang bei uns nur 30 bis 60 Sekunden. Außerdem können bis zu vier Proben in eine Warteschleife gebracht werden“, erklärt Prof. Stein. Für solche Messungen ist in der Regel ein Basisdruck der Analysekammer im Bereich des Ultrahochvakuum (UHV) notwendig – also bis zu 12 Größenordnungen niedriger. Das neue Environmental XPS ermöglicht nun Messungen zu ähnlichen Bedingungen wie sie auch in einer Batterie vorliegen, was nicht nur viel Zeit spart, sondern es den Forschenden auch erlaubt ein umfassenderes und realistischeres Bild des inneren einer Batterie zu gewinnen.
Das XPS komplettiert die PLACES/R-Plattform zur beschleunigten Batterie-Materialentwicklung. Diese kann vollautomatisiert rund um die Uhr Zellen bauen, tausende Grenzflächen analysieren und wertet die Ergebnisse mithilfe von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) aus und plant neue Versuche.