Batterieforschung - Projekt SkaLiS mit 2,2 Millionen Euro vom BMBF gefördert
Pouchzellen Labor © HZB
SkaLiS Projektteam © HZB
Für die Energiewende werden leistungsstarke, kompakte und günstige Batterien benötigt. Dafür forschen am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Gruppen um Prof. Dr. Yan Lu, Dr. Ingo Manke und Dr. Sebastian Risse. Sie untersuchen und entwickeln neuartige Elektroden-Materialien, die auf Schwefel oder Silizium basieren. Nun koordiniert Risse auch noch ein großes Projekt, an dem neben Teams aus dem HZB auch die Universität Potsdam, die Technische Universität Berlin, die Technische Universität Dresden sowie das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden beteiligt sind.
Das Projekt SkaLiS startet im Juli 2021 und wird in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 2,2 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. SkaLiS steht für „Operando-Analyse gestütztes, skalenübergreifendes und skalierbareres Elektroden-Design zur Leistungserhöhung von Lithium-Schwefel-Pouchzellen“.
In SkaLiS (FKZ: 03XP0398) wollen die beteiligten Forschungsgruppen einen Lithium-Schwefel (Li-S) Demonstrator auf Pouchzellenebene herstellen, dessen Kathode gleich auf mehreren Skalen strukturiert ist. Mit diesem Ansatz soll die Li-S Batterie deutlich stabiler und leistungsstärker als bisherige Batteriezellen sein. Für die Bewertung der industriellen Relevanz steht dem Konsortium ein Industriebeirat bestehend aus Vertretern der Firmen Airbus, Rolls-Royce, Wingcopter, Customcells und E-Lyte zur Seite.
Die HZB-Abteilung „Elektrochemische Energiespeicherung“ hat dafür bereits die passende Infrastruktur aufgebaut: Die sogenannte „Pouch-Cell-Line“ – dort lassen sich aus Ausgangsmaterialien in mehreren einfachen Schritten Versuchs-Batterien in einem flachen „Taschenformat“ herstellen (siehe Filmclip).
Im SkaLiS Projekt ist darüber hinaus eine sechsstellige Investition in ein neues Detektorsystem für ein Röntgenkleinwinkel-Instrument vorgesehen. Es wird derzeit am Standort Wannsee in Risses Elektrochemie-Gruppe aufgebaut und ist besonders geeignet, um Materialien wie Batterie-Elektroden zu untersuchen.
Das Kathodenmaterial stellt das Team um die Chemikerin Yan Lu selbst her. Es besteht aus fein vermahlenen Schwefelpartikeln, die in Kohlenstoff mit spezieller Porosität eingelagert werden. Nach der Fertigung der Batteriezelle in Berlin und Dresden werden die elektrochemische Leistungsfähigkeit sowie die Stabilität eingehend mit operando Methoden von den Arbeitsgruppen um Manke und Risse analysiert. Somit lassen sich direkte Rückschlüsse auf die Zellfertigung und die Kathodenmaterial-Synthese ziehen, die auch für die Industrie relevant sind.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.