Strahlenschaden oder intrinsische Materialveränderung?
PTB-Studie zeigt Dosisgrenzen für zuverlässige Röntgenanalysen in Batteriematerialien
Röntgenstrahlung ermöglicht den Einblick in die chemischen Veränderungen von Batteriematerialien während des laufenden Batteriebetriebs („Operando“), ist aber auch Ursache für strahlungserzeugte Effekte, durch die Messergebnisse überlagert und verfälscht werden können. In einer Fallstudie an ausgewählten polymerbasierten Festkörperelektrolytmaterialien für Lithium-Schwefel-Batterien wurde eine systematische Strategie zur Vermeidung von Strahlenschäden bei röntgenanalytischen Untersuchungsmethode demonstriert.
Röntgenspektroskopie ist eine in der Materialwissenschaft weit verbreitete Analysemethode und bietet wertvolle Einblicke in die elementare Zusammensetzung, den chemischen Zustand und die Struktur von Materialien. Die Berücksichtigung der Auswirkungen der verwendeten Röntgenstrahlung auf die Probe ist entscheidend, um zwischen strahleninduzierten Effekten und Materialeigenschaften zu unterscheiden, Fehlinterpretationen zu vermeiden und die Zuverlässigkeit experimenteller Ergebnisse zu verbessern.
Unter Verwendung von Synchrotronstrahlung wurden mittels Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure, NEXAFS) die dosisabhängigen röntgeninduzierten Veränderungen im Batteriematerial untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit der absoluten Strahlendosis korreliert und so Grenzwerte bestimmt.
Die Messung der Schwefelabsorptionskante führte in den untersuchten Elektrolytschichten aus Polymer und schwefelhaltigem Salz zu einer zweistufigen Reduktion der Sulfonylgruppen zu Sulfiden. Bei induzierten Dosen von etwa (200 ± 8) kGy war eine Reduktion von (1,2 ± 0,1) % der ursprünglichen Schwefelspezies nachweisbar. Eine Auswirkung der Messung auf die Polymermatrix wurde ausgeschlossen.
Auf der Grundlage der berechneten Dosen und des ermittelten Photonenflusses können die Ergebnisse auch auf andere Experimente und Materialzusammensetzungen extrapoliert werden. Durch die Interpretation der induzierten strukturellen Veränderung kann der Einfluss auf die Funktionalität eingeschätzt und so reale Schwellenwerte für induzierte Dosen definiert werden, um Operando-Experimente optimal zu planen.
Veröffentlichung:
ACS Energy Letters 2026: Facing X-ray Radiation Damage Systematically: A Quantitative Investigation on Solid-State Electrolytes for LiS Batteries
Lena K. Mathies, Katja Frenzel, Adrian Jonas, Sebastian Risse, and Burkhard Beckhoff
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00098
Die Forschungsarbeiten wurden durch BMBF „Batterie 2020 Transfer“ Projekt „FestPoLiS“ gefördert.
Kontakt:
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Arbeitsgruppe Röntgenspektrometrie
Lena Mathies
lena.mathies(at)ptb.de
Burkhard Beckhoff
burkhard.beckhoff(at)ptb.de
PTB-Pressemitteilung vom 02.06.2026