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Marburg Marburger Forscher gehen Akkus auf den Grund
Marburg Marburger Forscher gehen Akkus auf den Grund
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12:00 27.01.2021
Smartphone-Akku in einem Handy
Smartphone-Akku in einem Handy Quelle: Thorsten Richter
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Marburg

Ein innovatives Projekt der Grundlagenforschung zu Festkörpermaterialien wird an der Universität Marburg von dem Chemie-Professor Karl Michael Weitzel koordiniert. Die Forschungsergebnisse seiner Arbeitsgemeinschaft waren entscheidend dafür verantwortlich, dass die Forschergruppe ins Leben gerufen wurde, die nun von der deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für vier Jahre bis 2024 mit 2,3 Millionen Euro gefördert wird –mit einer Verlängerungsmöglichkeit um vier weitere Jahre.

Im Mittelpunkt stehen die Bewegungen von Ionen in Materialien, die für die Energiespeicherung wichtig sind. Dabei handelt es sich einerseits um Lithium-Ionen, die in Akkus für Smartphones verwendet werden. Aber auch Sauerstoff-Ionen und Protonen geraten in den Blick der Wissenschaftler.

„Die Akkus werden seit 30 Jahren erfolgreich gebaut. Aber wir verstehen die fundamentalen Eigenschaften der Ionen nicht“, erläutert Professor Weitzel im Gespräch mit der OP. So fragen sich die Forscher beispielsweise, warum die Zellspannung bei Ladung und Entladung so sehr variiert. Sie wollen genauer verstehen, wie der Ionentransport die Materialeigenschaften beeinflusst.

Professor Karl Michael Weitzel. Quelle: Privatfoto

Dahinter stehen in der Physik und der Chemie auch grundlegende Unterschiede in unterschiedlichen Materialien, wie Weitzel erklärt. So wiesen Kristalle eine hohe Symmetrie auf. „Alle Teilchen haben in den Kristallen die gleiche Umgebung und Energie“, erläutert Weitzel. Bei allen anderen Festkörpern gebe es aber Unordnung, bis auf die atomare Ebene hinunter zu beobachten. Und um die Vermessung dieser Unordnung geht es in dem Forschungsvorhaben. Bis dato gab es keine erfolgreichen Experimente für die Messung der Bewegungen in diesen Energielandschaften. „Wir haben es aber geschafft, das auszumessen“, erläutert Weitzel. Die ersten Ergebnisse, der von dem Chemiker geleiteten Marburger Arbeitsgruppe, deuten darauf hin, dass die Effekte in Bezug auf die Leitfähigkeit der Materialien groß sind.

In der Regel halten Akkus in Smartphones rund zwei Jahre. Das Projekt der Forschergruppe könnte nun dazu beitragen, ein besseres Verständnis der sie antreibenden Materialien zu erlangen und mittelfristig auch deren Leistungsfähigkeit zu verbessern. Denn neben dem Mehrwert durch ein besseres Verständnis könnte am Ende auch das Design von verbesserten Materialien stehen. „Unsere Erkenntnisse werden von der Community der Forscher bereits anerkannt“, berichtet Weitzel. Er hofft, dass die Forschungsergebnisse in den kommenden vier, fünf Jahren dann auch in der Industrie verstärkt wahrgenommen werden und möglicherweise dann auch in die Praxis umgesetzt werden.

Für mindestens genauso erfolgversprechend hält der Marburger Chemie-Professor aber auch die zweite Klasse von Materialien, die in der Forschergruppe detaillierter in den Blick genommen werden. Dabei handelt es sich um sogenannte „Perowskit-Materialien“, die in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Somit geht es hier um das Zukunftsfeld der Wasserstoff-Technologie.

Das Konzept der Forschergruppe sieht vor, mit Methoden der Elektronen-Mikroskopie, der Kernspinresonanzspektroskopie (Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und der Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen) und der Atomsonden-Tomographie die Positionen der Elemente in den unterschiedlichen Materialien nachzuweisen und zu bestimmen. Dafür sollen die Materialproben nicht nur an der Uni Marburg, sondern zusätzlich jeweils auch an den Universitäten Göttingen und Darmstadt untersucht werden. Hinzu kommt noch die Kooperation mit zwei Theorie-Gruppen an den Hochschulen in Ulm und Osnabrück.

Besonders freut sich Weitzel, dass für die Forschergruppe durch die DFG auch noch die Anschaffung eines Großgerätes bewilligt wurde. Die Summe gehört zu dem Budget für die Forschergruppe dazu: Für eine halbe Million Euro wird ein Detektor angeschafft, der mit einem enorm hohen Empfindlichkeits-Bereich die Lage eines Teilchens neben zehn Millionen anderen Teilchen nachweisen kann und künftig in Marburg aufgestellt wird.

Von Manfred Hitzeroth

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