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Batterien endlich umweltfreundlich?

  • Es ist bekannt und verständlich, dass für ein umweltfreundliches Leben große Veränderungen der Mobilität notwendig sind. Schließlich wandeln die am häufigsten genutzten Verbrennungsmotoren wertvolle Rohstoffe in umweltschädliche Gase um. Soll unsere Umwelt erhalten bleiben, ist unser Umgang mit so betriebenen Fahrzeugen also nicht mehr möglich. Simple Beschränkungen der Mobilität allgemein haben sich allerdings dank wachsender persönlicher Bedürfnisse als schwierig erwiesen. Niemand von uns will während Bahnstreiks an seinem Heimatort bleiben, an seltenere Busfahrzeiten gebunden sein oder sich nur von Lebensmitteln aus dem eigenen Garten ernähren.


    Tatsächlich kann uns die Forschung Flexibilität ohne hohe Emissionen ermöglichen. Dazu soll die benötigte Energie in Kraftwerken des Stromsektors gewonnen werden, ein Sektor, der anhand vieler Ansätze bereits umweltfreundlicher wird. Um die Belastung der Elektroautos auf den Stromsektor gering zu halten, muss die Energie effizient aufgenommen und abgegeben werden. Das funktioniert durch Batterien.
    Die Batterien stellen ein System dar, in dem durch eine elektrische Spannung eine Reaktion abläuft, die bei Bedarf unter einem Elektronenfluss wieder aufgelöst wird. So wird die Batterie geladen und entladen.

    In Autos funktioniert das besonders gut mit Lithiumionen-akkus, mit denen wir uns in unserer Forschungsgruppe auseinandersetzen wollen.


    Als wir (Lena, Fabian, Johanna, Lilith und Leonie) uns zuerst trafen, um über das Thema zu sprechen, wussten wir nicht, wie hoch die Anforderungen an jedes Element einer Batterie sind. Unsere Juniormentorin Thuy Anh konnte uns viele Probleme nennen, die jeweils nur durch wenige Materialien gelöst werden können: Die Kathode soll bewegliche Elektronen haben und sich nicht auflösen (Lithiumoxide). Die Anode soll eine lockere Struktur haben, um Elektronen aufzunehmen (Graphit). Außerdem müssen sich die Lithiumionen durch ein Elektrolyt bewegen, ohne jedoch mit der negativ geladenen Anode zu reagieren. Dazu bildet sich unter Spannung eine Schicht, die für die Ionen nicht durchlässig ist (SEI=Solid Electrolyte Interphase).

    Bis jetzt sind Graphit und Lithium die Materialien, die bei wenig Masse besonders viel Energie speichern können (also eine hohe spezifische Energiedichte haben) und dazu noch praktisch sind. Akkumulatoren mit ihnen können häufig aufgeladen und entladen werden und sind relativ leicht.


    Allerdings gibt es auch bei der bestmöglichen Alternative der Energieumwandlung in Lithium-Ionen-batterien Umweltbelastungen. Das Material muss irgendwo gewonnen werden und besonders bei Lithium ist das nicht leicht. Es ist selten und kommt auf der Erde fast nur in Verbindungen vor. So sind Lithiumsalze aus Salzseen in Chile oder Bolivien die ergiebigste Quelle. Allerdings müssen diese interessanten und nicht vollständig erklärbaren Naturphänomene ausgetrocknet werden, um an das Salz zu gelangen. Da Lithiumelektroden nicht immer recycelt werden können, leiden die Salzseen so stark unter dem Energiewandel.


    Deshalb hat unsere Vorgängergruppe eine Batterie entwickelt, bei der das Lithium komplett durch eine weitere Graphitelektrode ersetzt wurde. Neben einer geringeren Spannung und Kapazität stellte sich dabei die Verdopplung des Mengenaufwands an Graphit als problematisch dar. Graphit wird als Kohlenstoffmodifikation nämlich aus organischen Verbindungen wie Erdöl gewonnen. Der Bedarf an Erdöl muss in Zukunft allerdings gesenkt werden.

    So bekamen wir die Idee, nach einem anderen graphitähnlichen Stoff zu suchen. Dieser soll aus Kohlenstoffvorkommen gewonnen werden, die nicht besonders wertvoll sind. Verpackungsabfall aus Plastik oder Pappe besteht schließlich aus Kohlenstoff und ein Verwendungszweck wird dringend benötigt.


    Um den gesuchten Stoff zu verstehen, brauchen wir überraschenderweise auch Kenntnisse der Nanotechnologie, denn die Graphenschichten des Graphits sind sehr dünn. Unter Druck und hohen Temperaturen entstehen aus dem Verpackungsmüll kleine Carbonspheres. Das sind kugelförmige Anordnungen weniger Kohlenstoffatome, die wie die Schichten des Graphits Elektronen lagern, abgeben und leiten können.

    Damit haben wir jede Menge Themen, mit denen wir uns beschäftigen, bis wir uns im Sommer wieder mit unserem wissenschaftlichen Mentor Kolja Beltrop in Münster treffen. Dort können wir am MEET-Batterieforschungszentrum der Universität Münster Carbonspheres herstellen und mit einem modernen Elektronenmikroskop sichtbar machen. Mit einer Anode aus Carbonspheres wollen wir dann eine Batterie bauen und auf Lade-und Entladeverhalten sowie auf die Ruhespannung der neuen Elektrode prüfen.


    Zum Schluss vergleichen wir den ökologischen Aufwand unserer Batterie mit dem einer aktuellen Lithiumionen-batterie. Eine Alternative zu fossilen Ressourcen wäre auf jeden Fall ein Fortschritt.

     

     

    Bilder: Titel: Battery/Andy Armstrong über flickr creative commons 2.Bild: electric car charging station symbol/Nicola Sznajder über flickr creative commons Weitere Bilder: WWF/Arnold Morascher

     

     

     

     

Kommentare

3 Kommentare
  • RichardParker
    RichardParker Vielen Dank für den interessanten Bericht, das klingt nach viel Arbeit, aber auch nach tollen Ideen! :)
    10. Mai 2015
  • Ivonne
    Ivonne Liebe Leonie, danke für diesen sehr gut verständlichen Einblick in Eure Forschungsfrage! Super geschrieben. Ich bin gespannt auf eure Ergebnisse!! :-) LG!
    12. Mai 2015
  • Anticap
    Anticap Hi Leonie,
    Der Artikel ist echt super - sehr verständlich :)
    Ich freue mich auf eure Ergebnisse. Das Thema ist wirklich interessant und Plastiktüten hätten endlich Sinn :D
    13. Mai 2015