Dr. Matthias Elm: NIKO

Im Bereich moderner Energiewandlungs- und Speichertechnologien sind sowohl Brennstoffzellen als auch Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung. Brennstoffzellen finden einen immer größeren Zuspruch als Alternativen zu Verbrennungsmotoren. Ein zentrales Element solcher Zellen sind Sauerstoffmembranen, mit denen sich Sauerstoff aus der Luft filtern lässt. Der Sauerstoff selbst ist als Brennstoff unerlässlich für die ablaufenden elektrochemischen Reaktionen. Um den Sauerstoff aus der Luft zu filtern und insbesondere effektiv zum Ort der Reaktion zu transportieren, erfordern die Membranen derzeit noch sehr hohe Betriebstemperaturen. Lithium-Ionen-Batterien dienen in immer stärkerem Maße als Energiespeicher. Wie effektiv die Batterien Energie speichern können, hängt maßgeblich von der Beschaffenheit ihrer Elektroden ab.

Wichtig für die weitere Verbreitung beider Technologien sind zwei Dinge: Zum einen die Erhöhung der Speichereigenschaften von Batterien und zum anderen ein besserer Transport von Sauerstoff durch Sauerstoffmembranen. Elektroautos mit viel höherer Reichweite und Brennstoffzellen mit geringerer Betriebstemperatur werden so möglich.

In beiden Anwendungen sind Materialien nötigt, welche eine sehr hohe ionische und gleichzeitig auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen. Das heißt, sie müssen gleichzeitig Strom leiten und kleinste geladene Teilchen transportieren können. Allerdings können die meisten Materialien entweder nur Ionen oder nur Elektronen gut transportieren. Gleiches gilt für das Speichern von Ionen und Elektronen. Die Entwicklung von Komposit-Materialien, die aus guten Ionenleitern und guten Elektronenleitern zusammengesetzt sind, könnte zu einer deutlichen Leistungssteigerung in beiden Anwendungen führen. Hierbei sind insbesondere die Eigenschaften der entstehenden Grenzflächen von entscheidender Bedeutung.

Genau hier setzt die Forschung der Nachwuchsgruppe von Dr. Elm an. Im Projekt NIKO werden Komposit-Materialien mit besonderen Transporteigenschaften entwickelt. Die Komposite werden als Bausteine für leistungsfähigere Batterieelektroden und Sauerstoffmembranen hergestellt und zu einer Anwendung weiterentwickelt. Durch eine gezielte Beeinflussung und Gestaltung der Grenzflächen soll eine wesentlich erhöhte Ionen-Speicherfähigkeit bzw. ein besserer Transport für Sauerstoff erreicht werden. Neben der Zusammensetzung der Komposite steht die Charakterisierung strukturierter Grenzflächen im Vordergrund des Forschungsinteresses.