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Es war einmal wieder Zeit für die Material Chemistry (MC) Konferenz, die 14. dieses Namens. Die Aston University in Birmingham war im Juli Gastgeber der Veranstaltung.

Die Materialchemie ist ein weites Feld. Es reicht von Materialien für Energievorrichtungen bis hin zu Polymeren, von biologischen bis hin zu rein theoretischen Anwendungen. Neben den Plenarvorträgen gab es vier parallele Sitzungen, und es war nicht immer einfach für mich zu entscheiden, was für mich von Interesse sein könnte.

Offensichtlich ist das „In“-Material im Moment Perowskit. Perowskit ist ein seit langem bekanntes Mineral (entdeckt 1839), das die Elemente Barium, Titan und Sauerstoff in einer bestimmten Anordnung enthält. Alle diese Elemente können ersetzt werden, und wenn die Verhältnisse eingehalten werden, werden Materialien mit der gleichen Struktur erhalten, aber mit einem überraschenden Spektrum an Eigenschaften. Diese können beispielsweise als Kondensatoren, Supraleiter, in LEDs und seit kurzem auch in der Post-Silizium-Solarzellentechnologie eingesetzt werden.

Ein sehr faszinierender Vortrag betraf das Lösen von Klebstoffen. Das heißt, einen Klebstoff zu erfinden, der sich durch einen Auslöser, eine Chemikalie oder etwas anderes wie Ultraschall, zersetzt und die durch diesen Klebstoff miteinander verbundenen Teile freisetzt. Stellen Sie sich ein Smartphone vor, das mit diesem Klebstoff ausgestattet ist. Nachdem es sein Lebensende erreicht hat, benutzt man einfach diesen Auslöser und das ganze Ding fällt auseinander. Dadurch können die verschiedenen Baueinheiten leicht getrennt und leichter recycelt werden.

Eines meiner Hauptinteressen – zumindest im Moment – sind medizinische Anwendungen. Ein Thema sind Hydrogele, das sind Netzwerke aus hydrophilen Polymeren. Sie können für die Wirkstoffabgabe oder das Tissue Engineering eingesetzt werden. Ein weiteres aufkommendes Thema ist der 3D-Druck von Implantaten und so weiter. So können Ersatzstoffe für Knorpel, Zähne oder Knochen gedruckt werden. Es gibt aber auch biologisch abbaubare Materialien, die in Wunden eingesetzt werden und die Heilung begünstigen. Sie sind „Ankerpunkte“ für biologische Materialien, die entlang des Implantats wachsen und schließlich die Wunde schließen, während das ursprüngliche Implantat abgebaut wird. Die Ideen gehen noch weiter: das Drucken ganzer Organe, zum Beispiel eines Herzens. Die Drucktechnologie ist ziemlich weit fortgeschritten, aber die Materialien für medizinische Anwendungen bedürfen noch der Entwicklung – und natürlich der Zulassung durch die FDA und andere Aufsichtsbehörden.

Noch ein Thema ist natürlich die Energie. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien heute Stand der Technik sind, gibt es noch viele Fragen zu beantworten und Probleme zu lösen. Ein Vortrag betraf beispielsweise eine Studie zur Elektrodenherstellung für LIBs. Die Herstellung von LIBs ist ein langer Prozess und ein Schritt ist ein Formationsprozess, der mehrere Wochen dauert! Die Forschungsgruppe untersuchte die verschiedenen Schritte und versuchte, den gesamten Prozess zu verkürzen. Aber obwohl einige faszinierende Ideen präsentiert wurden, wird deren Umsetzung in den aktuellen Prozessen noch lange auf sich warten lassen. Wie schade.

Es gab noch viele andere Themen und ich habe sicherlich einiges Interessantes verpasst. Aber alles in allem habe ich viel gelernt und es war eine inspirierende Veranstaltung, die zeigte, dass die Chemie im Zentrum für die Lösung vieler der Probleme steht, mit denen die Welt heute konfrontiert ist.

Lithiumionenbatterien (LIB) kennt heute quasi jedes Kind. Viele moderne Technologien, von denen wir heute so abhängig werden – Smartphones, Notebooks,… – wären ohne diese Batterien undenkbar. Auch in Sachen Elektromobilität stehen LIB im Fokus– auch wenn ich persönlich diese Entwicklung für eine Fehlentwicklung halte, aber das ist ein anderes Thema.

Lithium weist unter den Metallen die geringste Dichte unter Standardbedingungen auf, ist also sehr leicht. Seine Ionen sind zudem klein und es hat ein extrem negativ liegendes Redoxpotential, oder anders gesagt, es ist äußerst unedel. Letzteres ermöglicht hohe Zellspannungen von annähernd 3 V (vgl. Nickel-Akkumulatoren mit 1,2 bis 1,5 V Spannung). Erstes führt zu hohen Energiedichten, d. h. viel Energie pro Gewichtseinheit (Li-Ionen: 120-210 Wh/kg, Ni-Akkus: 40-110 Wh/kg). Diese Eigenschaften ermöglichten erst die kleinen und langlebigen Akkus für Smartphones und Notebooks. Leider führt das unedle Verhalten auch zu einigen Problemen, denn Lithium ist äußert reaktiv, wie einige spektakuläre Brände von Elektroautos eines amerikanischen Herstellers demonstrieren. Außerdem kommt es nicht in unendlich großen Mengen vor (es ist seltener als z. B. Kupfer, aber häufiger als z. B. Blei) und seine Herstellung ist eher teurer.

Natriumionenbatterien

Sollte sich die Fehlentwicklung zur Elektromobilität wie von uneinsichtigen Weltverbesserern gefordert entwickeln, könnte es zu Engpässen in der Versorgung mit Lithium kommen. Häufiger vorkommende und preiswertere Metalle wären also attraktiv. Ein Metall, das als Ersatz diskutiert wird, ist Natrium. Dieses Metall ist chemisch gesehen dem Lithium recht ähnlich, allerdings sind seine Ionen etwas größer, was Probleme im Zusammenhang mit Volumenveränderungen der Batteriekomponenten erhöht. Außerdem ist es natürlich auch schwerer, was sich negativ auf die Energiedichte auswirkt. Andererseits kommt es deutlich häufiger vor als Lithium (z. B. in Form von Kochsalz) und ist daher preiswerter zu haben.

Ein Übersichtsartikel in der Angewandten Chemie befasst sich nun mit den chemisch/physikalisch/technischen Auswirkungen eines Ersatzes von Lithium durch Natrium. Dabei zeigte sich, dass die Batteriechemie häufig komplexer wird und manche für Lithiumionenbatterien gut gelösten Probleme neuer Lösungen bedürfen, Natriumionenbatterien jedoch nicht per se schlechtere Leistungen bieten. Sie werden wohl keine Lösungen für die Fahrzeugtechnik bieten, jedoch womöglich für eine stationäre Energiespeicherung, z. B. im Zusammenhang mit Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, bei denen das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt. Aber auch wenn die Forschung zu NIB in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt hat, steht sie eher noch am Anfang und eine technische Realisierung wird noch Zeit brauchen.

Der besagte Artikel, dessen Übersetzung ins Deutsche übrigens von mir stammt, findet sich unter:

Deutsch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201703772/abstract

Englisch: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201703772/abstract

Am 12. Mai um 19 Uhr halte ich bei Academia Webinars ein Webinar zum Thema Energiespeicherung. Energie kann bekanntermaßen viele Formen einnehmen, z.B. kinetische Energie, elektrische Energie, Wärmeenergie. Und so gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, Energie zu speichern. Z.B. Pumpspeicherkraftwerke und Schwungräder für kinetische Energie, Phasenwechselmaterialien für Wärmeenergie und vor allem Batterien. Unser mobiles Leben, so wie es heute ist, wäre ohne Batterien, bzw. Akkus völlig undenkbar. Zumindest für diejenigen, die von ihren Smartphones und Tablets abhängen. Daher liegt der Schwerpunkt des Webinars auch auf Batterien/Akkus. Anmeldungen zu dem Webinar bitte unter: https://www.academia-webinars.de/

 

Dies Webinar muss leider wegen mangelnder Teilnehmerzahl entfallen.