04.02.2021
Dieser Text ist Teil eines für die Öffentlichkeit bestimmten Beitrags der Ausstellung „AKKU ALLE“, eine Ulmer Expo über Batterieforschung, Elektromobilität und Energiespeicher. Link: www.akku-alle.de
Wie sieht der Alltag eines Chemikers aus, der innovative Materialien für neue Batterien erforscht?
1. Das ist Dominik (29). Er arbeitet als Doktorand am Helmholtz-Institut Ulm auf dem Eselsberg. Hier steht er in einem Chemielabor, welches er nur mit Schutzbrille und Kittel betreten darf.
2. Seine Forschung gilt Verbundstoffen der Polymerelektrolyte: Diese Batteriebestandteile (Elektrolyte) sind bei Raumtemperatur fest – ganz im Gegensatz zu den heutzutage üblichen Lithium-Ionen-Batterien (LIB), bei denen der Elektrolyt flüssig ist. Hier schaut er sich verschiedene Materialien unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) an.
3. Heute möchte Dominik eine Testzelle aus Lithium bauen – und testen. Als erstes muss Dominik das Polymer zunächst selbst herstellen. Er mixt die Bestandteile und presst das Material anschließend zusammen. Am Ende ist es optisch vergleichbar mit einer Laminierfolie aus Plastik.
4. Das Lithium holt Dominik aus einer sog. „Glovebox“ (Handschuhkasten). Diese Glaskästen sind mit Argon – einem Edelgas – gefüllt, damit es zu keinen unerwünschten chemischen Reaktionen kommt. Die Gloveboxen stehen unter leichtem Druck, deshalb stülpen sich die Handschuhe nach außen.
5. Lithium ist an Luft hochreaktiv. In der sauerstofffreien Glovebox schneidet Dominik ein Stück Lithium von einer Metallrolle. Der Lithium-Streifen wird in einem Döschen durch die Schleuse bis zur nächsten Station transportiert.
6. Hier baut Dominik seine Testzelle zusammen: Damit kein Wasser in Berührung mit seinen Batteriematerialien kommt, arbeitet er in einem sog. „Dry Room“ (Trockenraum). Das ist ein Raum, in dem fast keine Luftfeuchtigkeit herrscht. Unter hohem Energieaufwand wird versucht, das komplette Wasser aus der Luft zu filtern.
7. Dominiks Zelle ist fertig. Übrigens: Sein präferiertes Zellformat nennt sich „Pouch-Zelle“ („Beutelzelle“, scherzhaft auch „Kaffeebeutel“ genannt). Daneben werden in der Batterieforschung „Knopfzellen“, „Swagelok“-Zellen, Hochtemperaturzellen und natürlich Rundzellen eingesetzt.
8. Soweit so gut. Jetzt möchte Dominik natürlich wissen, ob seine Testzelle überhaupt funktioniert. Dazu schließt er die Lithium-Zelle an eine Spannung an, die die Zelle über Stunden und tausende Lade- und Entladezyklen hinweg testet. Der Test-Schrank garantiert dabei eine konstante Temperatur von 40 Grad Celsius, um das Testergebnis nicht
zu verfälschen.
9. Nun möchte Dominik erfahren, welche atomaren Gitterstrukturen an den Oberflächen der Materialien entstanden sind. Dazu bestimmt er durch Röntgenbeugung die Kristallstruktur (Röntgendiffraktometrie) und den atomaren Aufbau des Materials.
10. Zu guter Letzt setzt Dominik das Röntgenphotoelektronenspektroskop (XPS) ein. Hierbei bestimmt er die chemische Zusammensetzung seines Elektrolyten bzw. dessen Oberfläche. Er erhält damit zweifelsfreie Antworten darauf, welche chemischen Verbindungen zwischen Elektrolyt und Elektrode entstanden sind. Dominik interessiert sich speziell für die Oberflächenveränderung zwischen der Anode (Minuspol einer Batterie) und des umgebenden Elektrolyten.
