[04.10.2013] Für künftige Möglichkeiten der Energiespeicherung und für die Elektromobilität sind sie essenziell: Lithium-Ionen-Batterien. Unter Federführung von Dr. Hartmut Wiggers vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben es sich Wissenschaftler zum Ziel gesetzt, deren Leistung zu steigern, die Produktionskosten zu verringern sowie nachhaltige und unbedenkliche Rohstoffe zu verwenden. Das Mercator Research Center Ruhr (MERCUR) fördert das Vorhaben nun für zwei Jahre.

Eine Kette ist nur so stark wie ihr schwächstes Glied, sagt ein Sprichwort. Übertragen auf die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien, die in Mobiltelefonen oder Laptops eingesetzt werden, ist das schwächste Glied im Hinblick auf Speicherkapazität die negative Elektrode. Sie begrenzt damit die Batteriekapazität. Doch gerade in Zeiten der Energiewende sind leistungsstarke Batterien gefragt: um Energie aus regenerativen Quellen zu speichern, wenn das Angebot die Nachfrage übersteigt, oder für elektrisch betriebene Fahrzeuge – um nur zwei Beispiele zu nennen.

Daher haben sich Dr. Hartmut Wiggers und Prof. Dr. Angelika Heinzel vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen sowie Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Center for Electrochemical Sciences (CES) der Ruhr-Universität Bochum zusammengetan, um dieser Herausforderung zu begegnen. In ihrem Projekt „NanoSiLiKat – Entwicklung und Charakterisierung von Nanomaterialien für neuartige Kathoden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien“ wollen sie Kriterien definieren, die Stabilität und Leistung der Elektrode bestimmen, und darauf aufbauend bessere Materialien entwickeln. Als Ausgangsstoffe verwenden sie Lithium-Metall-Silikate, um die bisherigen, zum Teil bedenklichen Materialien durch umweltverträglichere Elemente zu ersetzen. So soll die Elektrode vor allem eine höhere Speicherdichte aufweisen, als es bisher der Fall ist. Da die glasartigen Silikate den elektrischen Strom aber schlecht leiten, wird das Ganze als nanostrukturiertes Kompositmaterial aufgebaut. Denn die kurzen Transportwege innerhalb von Nanomaterialien erhöhen die Leitfähigkeit deutlich.

Jeder der beteiligten Projektpartner verantwortet dabei einen eigenen Schritt des Gesamtprozesses: Dr. Wiggers erforscht seit rund zwölf Jahren die Herstellung von Nanopartikeln aus der Gasphase. Dabei entstehen die Partikel aus gasförmigen Ausgangsstoffen im Innern eines Heißwand-, Flammen- oder Mikrowellenreaktors – abhängig von der gewünschten Zusammensetzung und den benötigten Eigenschaften der Partikel. Die Arbeitsgruppe von Prof. Schuhmann verarbeitet das daraus entstandene Material anschließend und analysiert seine elektrischen Eigenschaften sowie die Speicherfähigkeit. Die hier gewonnenen Erkenntnisse gehen wieder in die Herstellung ein, sodass die Synthese der Partikel und ihre Weiterverarbeitung zu Materialien kontinuierlich verbessert werden. Das Team um Prof. Heinzel vom Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) versieht das Material schließlich mit den nötigen Additiven und Bindemitteln und verarbeitet sie zu Testbatterien, die daraufhin auf ihre Funktion und Stabilität untersucht werden.

„Wenn alles so funktioniert, wie wir es geplant haben, können wir tatsächlich von einem Meilenstein in der Batterietechnik sprechen“, berichtet Wiggers. Und verbesserte Speichermöglichkeiten würden automatisch auch eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energiequellen nach sich ziehen. Die Projektdauer ist auf zwei Jahre festgelegt, die Fördersumme beträgt rund 280.000 Euro.

In der 6. Auswahlrunde unterstützt MERCUR, das mit seinen Förderprogrammen die strategische Kooperation der Ruhrgebietsuniversitäten stärkt, insgesamt zehn Projekte; an allen ist die UDE beteiligt, zwei leitet sie. Zudem gibt es eine gemeinsame UAMR-Professur für Bioinformatik – das Zentrum „Computational Biology“ sitzt künftig am Essener Campus.

Redaktion und weitere Informationen:
Birte Vierjahn, CENIDE, Tel. 0203 379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de, http://www.cenide.de