Alterungsprozesse in Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien entschlüsselt

Direkte Beobachtung von Ladezyklen per Röntgenstrahlung

18.02.2026

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Warum Hochtemperaturbatterien im Betrieb an Effizienz und Lebensdauer verlieren, ließ sich bislang nur indirekt erschließen. Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun mit Hilfe von sogenannter Operando-Röntgenradiographie erstmals direkt in eine Natrium-Zink-Salzschmelzbatterie bei rund 600 Grad Celsius geblickt. Die Aufnahmen machen bislang verborgene Prozesse sichtbar und zeigen, dass sich die Trennschichten im Inneren der Batterie unter realen Betriebsbedingungen als problematisch erweisen können. Die Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für neue, vereinfachte Zellkonzepte für großskalige Energiespeicher.

Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien gelten als vielversprechender Ansatz für stationäre Energiespeicher. Allerdings altern sie noch zu schnell. „Diese Systeme haben großes Potential, weil Natrium und Zink günstig und gut verfügbar sind“, erklärt Dr. Norbert Weber. Der HZDR-Forscher hat als Koordinator des EU-Projekts SOLSTICE verschiedene Natrium-Zink-Speicherkonzepte systematisch untersucht. „Gleichzeitig fehlte bisher ein klares Verständnis dafür, warum die Zellen im Betrieb so stark an Leistungsfähigkeit verlieren.“ Ein Vorteil der Hochtemperaturtechnik liegt darin, dass die Metalle bei mehreren hundert Grad Celsius flüssig sind und sich besonders schnell transportieren lassen. Genau diese Dynamik macht die Systeme jedoch auch schwer zu kontrollieren.

Warum Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien frühzeitig altern, ließ sich lange Zeit nur indirekt erschließen. Klassische elektrochemische Messungen erfassen zwar Strom und Spannung, liefern jedoch kein vollständiges Bild der Vorgänge im Inneren der Zelle. „Unsere Batterie ist vollständig flüssig. Was dort passiert, ist hochdynamisch“, erläutert Martins Sarma, Erstautor der Studie. „Wir können eine Batterie im Betrieb aber nicht einfach öffnen, um nachzuschauen. Und wenn wir sie abkühlen lassen, verändern sich die Strukturen grundlegend.“

Direkte Beobachtung von Ladezyklen per Röntgenstrahlung

Um diese Prozesse dennoch sichtbar zu machen, nutzte das Team die Operando-Röntgenradiographie, eine bildgebende Methode, mit der sich der Lade- und Entladevorgang erstmals direkt unter realen Betriebsbedingungen verfolgen ließ. So wurden Bewegungen von Natrium, Zink und Elektrolyt sichtbar, die über Effizienz und Lebensdauer der Batterie entscheiden. Die Aufnahmen lieferten einen unerwartet klaren Blick auf einen Baustein, der in vielen Zellkonzepten als unverzichtbar gilt: den Separator. Das ist eine poröse Trennschicht zwischen den Elektroden, die den direkten Kontakt von Natrium und Zink und damit unerwünschte Nebenreaktionen verhindern soll.

Die Röntgenbilder zeigen jedoch, dass sich unter Betriebsbedingungen Zink im Bereich des Separators ansammeln kann. Dort verliert es den elektrischen Kontakt zur Elektrode und steht für den weiteren Betrieb der Batterie nicht mehr zur Verfügung. „Man kann sich das wie ein Sieb vorstellen, in dem sich das Material festsetzt“, beschreibt Dr. Natalia Shevchenko, die sich am HZDR mit elektrochemischen Energiespeichern und deren Analyse befasst. „Mit der Zeit geht immer mehr aktives Zink verloren. Ein Mechanismus, der die Alterung der Zellen erstmals physikalisch erklärbar macht.“

Die Ergebnisse zeigen damit vor allem eines: Separatoren sind in Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien kein passives Bauteil, sondern beeinflussen den Betrieb und die Alterung der Zelle maßgeblich. In ergänzenden Experimenten ohne Separator ließ sich beobachten, dass sich Zink dann nicht mehr an einer festen Barriere festsetzt und dauerhaft verloren geht. Gleichzeitig nimmt jedoch die Selbstentladung zu, weil sich Natrium und Zink leichter begegnen können. Der Vergleich macht deutlich, dass Separatoren unter Hochtemperaturbedingungen neu bewertet werden müssen.

Auf dieser Grundlage arbeitet das Team nun an gezielten Verbesserungen des Zellkonzepts. Ziel ist es, den Stofftransport zwischen den flüssigen Phasen besser zu kontrollieren, ohne auf komplexe oder kostenintensive Bauteile angewiesen zu sein. Langfristig sollen so robuste, einfache und wirtschaftliche Lösungen entstehen, die den Einsatz von Natrium-Zink-Salzschmelzbatterien in großskaligen Energiespeichern auch außerhalb des Labors ermöglichen.

Originalveröffentlichung

M. Sarma, N. Shevchenko, N. Weber, T. Weier, Operando characterisation of Na-Zn molten salt batteries using X-ray radiography: insights into performance degradation and cell failure, in Energy Storage Materials, 2025.

https://www.chemie.de/news/1188117/alterungsprozesse-in-natrium-zink-salzschmelzbatterien-entschluesselt.html