Ein Blick in die Batterie Alterungsprozesse in Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien verstehen

Was passiert im Inneren einer Batterie, wenn sie bei 600 Grad arbeitet und warum verliert sie dabei schleichend an Leistung? Forschende am HZDR haben erstmals live per Röntgenblick beobachtet, wie sich Zink im Separator festsetzt und welche Auswirkungen das auf den Alterungsmechanismus hat.

Stationäre Energiespeicher müssen billig, robust und skalierbar sein. Während Lithium-Systeme technologisch dominieren, rücken Hochtemperatur-Konzepte wieder stärker in den Fokus. Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien gelten als vielversprechend, weil ihre aktiven Materialien kostengünstig sind und bei Betriebstemperaturen um mehrere hundert Grad Celsius vollständig flüssig vorliegen. Doch genau diese Eigenschaft erschwert die Kontrolle der internen Prozesse.

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun erstmals direkt sichtbar gemacht, was im Inneren einer solchen Zelle während des Betriebs geschieht – und dabei einen zentralen Alterungsmechanismus identifiziert.

Bildergalerie

Flüssige Phasen, schnelle Kinetik – und komplexe Dynamik

Das Grundprinzip der Batterie ist vergleichsweise einfach. Natrium bildet die Anode, Zink fungiert als Kathodenmaterial.Dazwischen befindet sich eine Salzschmelze als Elektrolyt.

Bei Temperaturen um etwa 600 °C liegen die metallischen Komponenten flüssig vor. Das ermöglicht schnelle Stoff- und Ladungstransporte, was grundsätzlich hohe Leistungsfähigkeit verspricht. Anders als bei festen Elektrodenstrukturen sind Morphologieänderungen hier jedoch nicht statisch, sondern hochdynamisch. Material verschiebt sich, sammelt sich an, verteilt sich neu – kontinuierlich während jedes Lade- und Entladezyklus.

Genau diese Dynamik war bislang das Problem. Elektrochemische Messungen liefern zwar Kennwerte wie Spannung, Strom und Wirkungsgrad, aber sie erklären nicht, wo im Zellinneren Verluste entstehen.

Operando-Röntgenradiographie: Beobachtung unter Realbedingungen

Das HZDR-Team nutzte eine Operando-Röntgenradiographie, um eine funktionierende Natrium-Zink-Zelle im laufenden Betrieb zu durchleuchten. „Operando“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Bildgebung während realer Lade- und Entladevorgänge erfolgt – bei voller Temperatur und ohne Eingriff in die Zellstruktur.

Damit ließ sich erstmals direkt verfolgen, wie sich Natrium, Zink und Elektrolyt im Inneren bewegen. Diese Methode ist entscheidend, weil sich die Strukturen beim Abkühlen fundamental verändern würden und ex-situ-Analysen daher kein realistisches Bild liefern. Die Aufnahmen offenbarten eine klare Ursache für den Kapazitätsverlust: die Wechselwirkung zwischen Zink und dem Separator.

Der Separator – mehr als nur eine Trennschicht

In vielen Zellkonzepten befindet sich zwischen Anode und Kathode ein poröses Diaphragma. Seine Aufgabe ist es, den direkten Kontakt zwischen Natrium und Zink zu verhindern und damit parasitäre Reaktionen zu unterbinden.

Die Bilddaten zeigen jedoch, dass dieser Separator keineswegs passiv agiert. Unter Betriebsbedingungen kann sich Zink im Bereich dieser porösen Struktur anreichern. Dort verliert es den elektrischen Kontakt zur eigentlichen Elektrode – es bleibt physikalisch vorhanden, steht elektrochemisch aber nicht mehr zur Verfügung.

Mit jedem Zyklus wächst dieser „tote“ Anteil. Die Folge ist eine sinkende nutzbare Kapazität, ein steigender Innenwiderstand und eine beschleunigte Alterung. Der Mechanismus ist damit nicht primär chemischer Natur, sondern resultiert aus einem physikalischen Transport- und Abscheideprozess im Zusammenspiel mit der Geometrie des Separators.

Separatorfrei: Lösung oder neues Problem?

Um den Einfluss der Trennschicht besser zu verstehen, wurden ergänzend Zellen ohne Separator untersucht. Das Ergebnis ist ambivalent:

Ohne Barriere sammelt sich Zink nicht mehr in einer porösen Struktur an – der zuvor beobachtete Materialverlustmechanismus entfällt. Gleichzeitig steigt jedoch die Selbstentladung, da Natrium und Zink leichter direkten Kontakt aufnehmen können.

Damit wird deutlich: Der Separator löst ein Problem, erzeugt aber unter Hochtemperaturbedingungen ein anderes. Er ist kein neutrales Bauteil, sondern ein aktiver Einflussfaktor auf Transport, Stromverteilung und Lebensdauer.

Konsequenzen für das Zelldesign

Die Ergebnisse verschieben den Fokus künftiger Entwicklungsarbeit. Statt Separatoren lediglich als chemisch stabile Trennelemente zu betrachten, müssen sie als strömungs- und transportrelevante Strukturen verstanden werden.

Denkbare Optimierungsansätze sind:

• Kontrollierte Porosität zur Vermeidung lokaler Zinkansammlungen.

• Alternative Geometrien mit definierter Leitfähigkeit.

• Vereinfachte Zellarchitekturen mit gezielt gesteuerter Phasentrennung.

Ziel ist eine robuste Konstruktion, die Stofftransport erlaubt, ohne aktives Material irreversibel zu „parken“. Gerade für großskalige stationäre Energiespeicher ist das entscheidend. Die verwendeten Metalle sind kostengünstig und weltweit verfügbar. Wirtschaftlich tragfähig wird das Konzept jedoch nur, wenn Zyklenstabilität und Wirkungsgrad steigen.

Bedeutung für großtechnische Energiespeicherung

Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien adressieren einen Markt, in dem es weniger um Energiedichte pro Kilogramm geht als um die niedrigen Materialkosten, die hohe Skalierbarkeit, die lange Lebensdauer sowie die sichere Rohstoffverfügbarkeit.

Die direkte Beobachtung interner Prozesse liefert erstmals eine physikalisch belegte Erklärung für einen zentralen Degradationspfad. Damit wird die Grundlage geschaffen, Hochtemperaturbatterien gezielt weiterzuentwickeln. Nicht auf Basis indirekter Kennwerte, sondern auf Basis sichtbarer Transport- und Strukturprozesse.

Die Operando-Radiographie macht sichtbar, was bisher verborgen blieb. In Natrium-Zink-Hochtemperaturzellen entscheidet nicht allein die Chemie über die Lebensdauer, sondern das Zusammenspiel aus flüssigen Phasen, Transportprozessen und Separatorstruktur. Der Separator wirkt unter realen Bedingungen als aktiver Alterungstreiber, weil er Zink binden kann, das dann elektrochemisch verloren geht. (mr)

(ID:50763315)