Neue Batterie lässt sich blitzschnell aufladen

Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute haben Erfolg mit modifiziertem Vanadiumdisulfid

(pte028/17.04.2019/13:30) – Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute http://news.rpi.edu haben eine neue Elektrode entwickelt, die eine Schnellladung von Batterien für beispielsweise E-Autos ermöglicht. In einer normalen Lithium-Ionen-Batterie, wie sie in Autos und elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops eingesetzt wird, besteht die Anode, eine der beiden Elektroden, aus Graphit, die andere, die Kathode, aus Lithium-Kobalt-Oxid.

Verzicht auf Kobaltoxid

Experte Nikhil Koratkar hat Kobaltoxid im klassischen Kathodenmaterial durch Vanadiumdisulfid ersetzt. „Das erhöht die Energiedichte und beschleunigt den Ladevorgang, weil es elektrisch sehr gut leitet“, sagt Koratkar. Dass Vanadiumdisulfid das Potenzial hat, Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, ist bekannt. Doch alle, die versuchten, es zu nutzen, scheiterten bislang an der Instabilität des Werkstoffs, die die Lebensdauer derartiger Batterien unzumutbar stark verkürzte.

Koratkar und sein Team, zu dem auch Physikprofessor Vincent Meunier gehört, fanden nicht nur den Grund für die Instabilität des Materials heraus, sondern auch ein Mittel dagegen. Die Instabilität hat ihre Ursache in einer Asymmetrie, die dadurch entsteht, dass sich die Abstände zwischen den Vanadium-Atomen verändern. Dies wird als Peierls-Instabilität bezeichnet. Das verhinderten die Forscher, indem sie die Vanadiumdisulfid-Teilchen mit einer nanometerdicken Schicht aus Titandioxid einhüllten. „Diese Hülle hält die Teilchen zusammen, sodass sie sich nicht mehr bewegen können“, so Koratkar.

Überraschende Entdeckungen

Als das Problem gelöst war und die US-Wissenschaftler die ersten Elektroden aus dem beschichteten Material und Lithium hergestellt hatten, machten sie eine weitere überraschende Entdeckung. Die so hergestellten Batterien zeichneten sich durch eine hohe Kapazität aus, konnten also besonders viel Strom speichern. Als sie die Batterie immer wieder entladen haben und im Schnellgang wieder aufluden, machten sie noch eine Entdeckung. Die Kapazität verringerte sich kaum, im Gegensatz zu jener von klassischen Lithium-Ionen-Batterien. Jetzt fehlt nur noch eines: eine wirtschaftliche Produktionstechnik zur Massenherstellung.

Britische Forscher produzieren Hochleistungs-Polyethylen, das leicht, billig und extrem fest ist

Coventry/London (pte024/02.04.2019/13:30) – Forscher der University of Warwick http://warwick.ac.uk haben mit Kollegen der Queen Mary University http://qmul.ac.uk eine hochtransparente Kunststofffolie entwickelt, die so fest ist wie Aluminium, aber weit weniger wiegt. Sie kann für Displays, Windschutzscheiben und andere Glasprodukte genutzt werden, bei denen es auf Bruchsicherheit ankommt.

Wie Glas, nur nicht so spröde

Basismaterial der Innovation ist Polyethylen (PE), das es bereits in mehreren Festigkeitsstufen gibt. Aus PE der niedrigsten Klasse wird beispielsweise Frischhaltefolie hergestellt. Höherwertige PE-Produkte sind Zahnräder und große Tanks, etwa für Heizöl. Im neuen Herstellungsprozess ist es nun gelungen, die bisher erreichte Festigkeit weit zu übertreffen.

Ton Peijs, Professor für Kunststofftechnik in Coventry und Cees Bastiaansen, Materialwissenschaftler an der Londoner Hochschule, haben den Prozess zur Herstellung von besonders hochwertigem PE studiert. Dann modifizierten sie die Temperaturen während der Herstellung, fachmännisch Warmziehen genannt, so dass sich ein glasähnliches Material bildete, das aber nicht so spröde ist, also kaum zerbrechen kann.

Vom „Nudelhaufen“ zu Hightech

Bisher galten Polycarbonate und Polymethylmethacrylat, besser bekannt als Acrylglas, als möglicher Ersatz für brüchiges Glas. Doch verglichen mit der Festigkeit von Metallen wie Aluminium schnitten sie schlecht ab. Das Hochleistungs-PE der Briten könnte nicht nur Glas ersetzen, sondern viele Bauteile, die heute aus weit schwereren Metallen hergestellt werden.

„Die Mikrostruktur von PE ähnelt vor der Wärmebehandlung einem Haufen Spaghetti oder anderen Nudeln“, sagt Doktorand Yunyin Lin. Durch die Wärmebehandlung würden die Spaghetti so ausgerichtet, dass sie Kräfte optimal aufnehmen. Normalerweise ist PE, das derart behandelt wird, opak – ähnelt also Milchglas. Das liegt an Defekten, die während der Wärmebehandlung entstehen. Als Glasersatz ist dieses Material nur eingeschränkt nutzbar.

Die Forscher haben das Transparenz-Problem durch Additive gelöst, deren Zusammensetzung sie aber nicht verraten. Diese verhindern die Fehlerbildung während der Wärmebehandlung, sodass dieses PE eine Transparenz von 90 Prozent hat, also 90 Prozent des Lichtes durchlässt, so viel wie eine Fensterscheibe. „Unser leichtgewichtiges, preiswertes, hochtransparentes, sehr festes und steifes PE kann viele andere Werkstoffe im Autobau, in Gebäuden und in der Elektronik ersetzen“, verdeutlicht Wissenschaftler Peijs abschließend.

KIT – Die Sonnenstunden werden mehr, die Temperaturen steigen – und der Frühjahrsputz steht an. Derzeit geraten Mittel mit Bakterien in Mode: Die probiotischen Reiniger enthielten „freundliche“ Mikroorganismen, die Schmutz, Staub und schädliche Bakterien auf natürliche Weise beseitigten, versprechen die Hersteller. So werde selbst hartnäckiger Schmutz effizient und umweltschonend entfernt. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Mikro-Haushaltshilfen unter die Lupe genommen.

Die Reinigungswirkung von probiotischen Reinigern basiert auf dem Konzept, dass Stoffe wie Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate oder Harnstoffe, aus denen der Schmutz in unseren Küchen, Bädern und Toiletten größtenteils besteht, Mikroorganismen als Nahrung dienen. Um diese aufnehmen zu können, bilden Bakterien Enzyme, welche die Schmutzpartikel aufspalten. Die Idee, dass man Bakterien auf einer Oberfläche versprühen könne und diese dadurch sauber werde, hält Professor Johannes Gescher vom Institut für Angewandte Biowissenschaften des KIT indes für wenig überzeugend. Zwar seien Mikroorganismen in der Lage, organischen Kohlenstoff zu fressen, wie es zum Beispiel in Klärwerken alltäglich geschehe, wo Bakterien eingesetzt werden, um Abwasser zu reinigen. Aber: „Alles, was Bakterien fressen, setzen sie in CO₂ und in neue Biomasse um“, so der Experte für Angewandte Biologie. Sprich, wo Bakterien Nahrung finden, gibt es sehr schnell noch mehr Bakterien, die wiederum eventuell Ausscheidungen zurücklassen könnten. „Damit eignen sich Bakterien eher weniger, Oberflächen so von organischem Kohlenstoff zu befreien, dass man hinterher tatsächlich von Sauberkeit sprechen könnte“, meint Gescher.

Der Forscher hat einige Reiniger im Labor untersucht: In manchen davon fanden sich ein bis zwei Milliarden Zellen pro Milliliter. Darüber hinaus enthielten die probiotischen Allzweckreiniger eine Mischung aus Säuren, die der Verbraucher zum Teil gut kennt: Essigsäure ist ein Bestandteil von vielen Reinigungsmitteln und kam in verdünnter Form vor. Darüber hinaus enthielten die getesteten Reiniger Alkohol, Buttersäure und Propionsäure, was den charakteristischen Geruch der Reiniger erklärt. „Damit liegt der Verdacht nahe, dass die Reinigungsleistung die Zusatzstoffe erbringen und nicht die Mikroorganismen“, sagt Gescher und rät: „Wer umweltschonend putzen möchte, sollte zu schnell abbaubaren Reinigungsmitteln greifen.“

Der Gedanke, „gute“ Bakterien könnten unerwünschte vertreiben, überzeugt den Wissenschaftler nicht. „Die meisten Mikroorganismen leben in Biofilmen, also einer Schleimschicht, in der sie eingebettet sind. Sie haben sich an die Oberflächen und Bedingungen angepasst, auf und mit denen sie wachsen. Mikroorganismen in einem Reiniger sind kaum in der Lage, den natürlichen Film auf einer Oberfläche zu verdrängen.“ Solche Biofilme ließen sich vor allem mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernen, die umweltbewusste Nutzerinnen und Nutzer ja gerade meiden wollten. Zudem seien Bakterien in feuchter Umgebung aktiv. „Wenn man wischt, ist der Boden vielleicht zehn Minuten feucht“, sagt Gescher. Viel zu wenig Zeit für die Mikroorganismen, um etwas zu sich zu nehmen.

Schließlich seien die häufig angepriesenen Fotosynthese- und Milchsäurebakterien als Putzhelfer denkbar ungeeignet: Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, benutzten Sonnenlicht als Energiequelle, wie Bäume und Gräser. „Sie ernähren sich also, salopp gesagt, von Licht und Luft und können an der gewünschten Reinigungsleistung überhaupt nicht beteiligt sein“, so Gescher. Milchsäurebakterien hingegen nehmen zwar organischen Kohlenstoff zu sich und produzieren Milchsäure – wie beim Herstellen von Joghurt. „Das machen sie aber nur, wenn sie keinen Zugang zu Sauerstoff haben. Auch hier muss man also fragen, wie eine Reinigungsleistung erfolgen soll, wenn man diese Organismen auf einer Oberfläche ausbringt.“

Schlüsseltechnologie der Digitalisierung

Karliczek: Brauchen vertrauenswürdige Elektronik „made in Germany“

BMBF – In einer zunehmend digitalisierten Welt ist sie überall präsent: Elektronik. Zugleich gewinnt sie als zentrales Element in sicherheitskritischen Bereichen an Bedeutung, etwa beim autonomen Fahren oder in der Medizin. Da braucht es Elektronik, der vertraut werden kann.

„In Deutschland und Europa wollen wir die Digitalisierung nach unseren Werten und Vorstellungen gestalten. Dafür brauchen wir vertrauenswürdige Elektronik. Sie ist die Schlüsseltechnologie der Digitalisierung, „betont Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. Vertrauenswürdig heiße zu wissen, was Elektronik tue. Zum anderen müsse die Verfügbarkeit und Versorgung mit kritischen Komponenten sichergestellt sein. Das sichere sowohl den Industrie 4.0-Standort Deutschland insgesamt als auch konkrete Anwendungen wie das autonome Fahren oder intelligente Medizintechnik. „Unser Wohlstand baut auf vertrauenswürdiger Hochtechnologie auf,“ so Bundesministerin Anja Karliczek. Vertrauenswürdige Elektronik passe zur deutschen Gesellschaft. „Wenn es darauf ankommt, dass eine Technik funktioniert, ist ‚made in Germany‘ unverändert ein wichtiges Qualitätssiegel. Das soll auch für die multifunktionale Elektronik gelten, die unsere in Deutschland starken Anwenderbranchen wettbewerbsfähig hält.“

Bestehendes mit Neuem verknüpfen. Das gelingt der Innovationsnation Deutschland wie nur wenigen anderen Ländern. Das zeigt die Entwicklung der vergangenen Jahre. Mit Industrie 4.0 hat Deutschland gezeigt, dass sich bewährte Industrie und die Chancen der Digitalisierung gewinnbringend verbinden lassen: Sie führt die Industrie ins digitale Zeitalter.

Industrie 4.0 wandelt die Wertschöpfung, neue Schlüsseltechnologien gewinnen an Bedeutung. In einer digitalisierten Industrie wird die forschungsintensive Elektronik zum zentralen Schlüssel: im Maschinenbau, in der Medizin, bei Industrieanlagen, kritischen Infrastrukturen oder beim Auto – nicht zuletzt beim autonomen Fahren.

Das Ziel einer Chipsicherheitsarchitektur, einer vertrauenswürdigen Elektronik „made in Germany“ für die nächste Stufe der Digitalisierung verfolgt eine der Leitinitiativen der Digitalstrategie des Bundesforschungsministeriums. Zur Digitalstrategie zählen digitale FortschrittsHubs Gesundheit, lokale Klima- und Umweltmodelle für Zukunfts-Städte und -Regionen, der DigitalPakt Schule, ein europäisches Betriebssystem für das Internet der Dinge und eine nationale Forschungsdateninfrastruktur.

Diese und zahlreiche bestehende Maßnahmen bettet die BMBF-Digitalstrategie in Grundüberzeugungen ein und strukturiert sie nach fünf Zielbereichen mit konsequenten Zielmarken. Damit trägt das BMBF zur aktiven Gestaltung des digitalen Wandels, zu guter Bildung im 21. Jahrhundert, zu besseren digitalen Kompetenzen, digital ausgestatteten und vernetzten Hochschulen und Forschungseinrichtungen, exzellenter Forschung und einer offenen Innovations- und Wagniskultur bei.

(KIT) Reibung, Korrosion und Biobewuchs sind die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt. Das Forschungsvorhaben „Air-Retaining Surfaces“ (ARES) – ein Kooperationsprojekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universitäten Bonn und Rostock – erforscht neuartige Schiffsbeschichtungen, die unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft halten und so helfen, die drei Probleme wesentlich zu verringern. ARES wurde für seine Forschung nun vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Validierungspreis ausgezeichnet.

„Innovation ist neben Forschung und Lehre eine der drei gleichberechtigten Kernaufgaben des KIT. Denn es geht uns darum, wissenschaftliche Erkenntnisse für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Umso mehr freue ich mich, dass in diesem Jahr ein vom KIT geführtes Projekt zu neuartigen Schiffsbeschichtungen mit dem Validierungspreis des BMBF ausgezeichnet wird. Ich gratuliere Thomas Schimmel und dem Team, an dem neben dem KIT auch die Universitäten Bonn und Rostock beteiligt sind, sehr herzlich zu diesem Erfolg.“

ARES erforscht neuartige Schiffsbeschichtungen, die es erlauben, unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft zu halten und so den Reibungswiderstand von Oberflächen wesentlich zu verringern. Zugleich vermeiden sie die Freisetzung toxischer Substanzen aus Schiffslacken sowie Biobewuchs (Fouling) und Korrosion, indem die Lufthülle den Kontakt zwischen dem Schiff und dem Wasser verhindert. Koordinator Thomas Schimmel, der am Institut für Angewandte Physik (APH), am Institut für Nanotechnologie (INT) sowie am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT tätig ist, entwickelt mit seiner Arbeitsgruppe unter Wasser lufthaltende Oberflächen auf der Basis des Salvinia-Effekt.

Der Salvinia-Effekt, der von dem Physiker Professor Thomas Schimmel vom KIT und dem Botaniker Professor Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn in enger Zusammenarbeit mit dem Strömungsmechaniker Professor Alfred Leder von der Universität Rostock gemeinsam erforscht wurde, ermöglicht es bestimmten Pflanzen wie dem Schwimmfarn Salvinia molesta, auch unter Wasser zu atmen. Dies gelingt ihm durch seine besonderen Haare, die in ihrer Form an kleine Schneebesen erinnern und durch eine besondere chemische Heterogenität charakterisiert sind: Die Einzelhaare sind einerseits wasserabstoßend, jedoch besitzt jedes einzelne Härchen noch eine wasseranziehende Spitze, die wie ein Klebepunkt am Wasser haftet und damit die eingeschlossene Luftschicht dauerhaft stabilisiert. Durch die Fördermaßnahme „Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“ unterstützte das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Projekt ARES. Der Validierungspreis zeichnet herausragende Projekte aus, die überzeugend die Ergebnisse aus der Validierungsphase in die Verwertung und Anwendung gebracht haben.

„Nachdem wir den Salvinia-Effekt verstanden hatten, erkannten wir das enorme ökonomische und ökologische Potenzial einer technischen Umsetzung“, berichtet Thomas Schimmel. Denn etwa 90 Prozent des weltweiten internationalen Handels wird von Schiffen bewerkstelligt. Umgibt man die Schiffe unter Wasser mit einer Lufthülle, könnten die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt gelöst werden: Reibung, Korrosion und Bewuchs mit Meeresorganismen. „Wir entwickelten künstliche Oberflächen, die eine solche Luftschicht unter Wasser halten. Frühe Prototypen, die wir vor mehr als fünf Jahren unter Wasser gesetzt haben, sind immer noch mit einer dauerhaften Luftschicht bedeckt.“

Auf der Basis solcher unter Wasser permanent lufthaltender Oberflächen („AirCoating Technologie“) sollen neuartige bionische Schiffsbeschichtungen entstehen, bei denen das Schiff unter Wasser mit einer Schmierschicht aus Luft umhüllt wird. Die neue, umweltfreundliche Technologie bietet ein enormes Potenzial für die Reibungsreduktion, liefert zugleich die Basis für ein umweltfreundliches „Antifouling“ ohne Freisetzung von Gift ins Meer und bietet zusätzlich Korrosionsschutz. Bislang werden beim Antifouling die Schiffsrümpfe mit schwermetallhaltigen Farben behandelt, um den Bewuchs mit Algen und Muscheln zu verhindern.

„Wir konnten zeigen, dass durch die AirCoating-Technologie eine Reibungsreduktion von circa 20 Prozent erzielt werden konnte, da die Reibung zwischen Schiff und Wasser gegen die Reibung zwischen Schiff und Luft ersetzt wird“, erläutert Thomas Schimmel. „Die innovativen Oberflächen könnten damit zukünftig für eine Steigerung der Energieeffizienz sorgen und einen wichtigen Beitrag für unsere Umwelt leisten.“

Die AirCoating-Technologie wird derzeit systematisch weiterentwickelt: Im EU-Projekt AIRCOAT, das Nanotechnologie-Experte Thomas Schimmel wissenschaftlich koordiniert, setzen die Partner die Haltung von Luftschichten auf Oberflächen unter Wasser durch ein selbstklebendes Foliensystem um. Insgesamt sind an dem von der Europäischen Kommission im Rahmen des Programms Horizon 2020 geförderten Projekt zehn Forschungsgruppen beteiligt. In einem von der Baden-Württemberg Stiftung geförderten und ebenfalls von Schimmel geleiteten Projekt  wird derzeit am KIT das Potenzial weiterer  Anwendungen der AirCoating-Technologie erforscht. Außerdem entstand aus dem KIT die Ausgründung ACT Aircoating Technologies GmbH, um die neue Technologie in den Markt einzuführen.