Die Batterie der Zukunft-«swisselectric research award 2010» geht an Chemikerabsolventen der ETH. Lithiumionen-Batterien werden deutlich langlebiger und das Speichern von Strom wird somit umweltfreundlicher und kostengünstiger.
Zweieinhalb Jahre lang forschte der Chemiker Andreas Hintennach an der Verbesserung von Lithiumionen-Batterien. Sein Einsatz hat sich gelohnt: Dank ihm könnten Handys, Laptops oder Elektroautos künftig umweltfreundlicher und kostengünstiger betrieben werden. Mitte September erhielt der ETH-Absolvent für seine Arbeit den den mit 25’000 Franken dotierten «swisselectric research award 2010» für seine Forschung an Lithiumionen-Batterien im Rahmen seiner Dissertation.
Smartphones sind Stromfresser. Mit ihnen können wir rund um die Uhr Fotos schiessen, das eigene Facebook-Profil abrufen, Zeitung lesen und fernsehen. Das machen die Akkus nicht lange mit. Der Griff zum Aufladekabel erfolgt öfter als dem Nutzer lieb ist. Mit Hilfe modernster Mikroskope hat Hintennach beobachtet, wie das in den Elektroden der Batterien enthaltene Graphit beim Laden und Entladen altert. Die Folgen: Der Akku beispielsweise eines Smartphones muss in immer kürzeren Abständen aufgeladen und am Ende ganz ausgewechselt werden.
Ausgehend von seinen Beobachtungen suchte der Student eine Möglichkeit, diesen Alterungsprozess zu verzögern. Einfach war das nicht. Durch die Beobachtungen hatte sich ein ganzer Katalog an Möglichkeiten ergeben, dies anzugehen. Nun galt es, sich auf ein Problem zu fokussieren. Diese Entscheidung sollte den restlichen Verlauf seiner Doktorarbeit bestimmen. «Das war eine Hürde, die es zu überwinden galt. Einfach war es nicht», sagt Hintennach rückblickend. Der Chemiker entschied sich schliesslich für eine Synthese: Er vermischte das Graphit mit speziellen Mineralen und stellte so ein neues Elektrodenmaterial her, das weniger rasch altert.
Umweltschutz als Antriebsfeder
Hintennach entwickelte zwei Verfahren, mit denen sich dieses neue Material effizient im Labor herstellen lässt: einerseits mit Mikrowellen, andererseits mit einem Flammenspray. Setzen sich diese Verfahren durch, werden Lithiumionen-Batterien in Zukunft langlebiger, kostengünstiger – und umweltfreundlicher sein. Einen Beitrag für den Umweltschutz zu leisten, ist ihm wichtig, wie der 26-Jährige betont. Er ist begeisterter Bergsteiger und Wintersportler. Im Saasthal hat er während seiner Touren beobachtet, wie sich die Gletscher zurückbildeten. Ein erschreckender Anblick, wie er sagt. «Wir können mit der Ölverbrennung nicht mehr so weiter machen. Da müssen Alternativen her».
Während des Studiums verbrachte er drei Wochen auf einer Ölplattform, wo er Ölproben untersuchte. Eine wichtige Erfahrung: «Danach wusste ich, dass die Elektrochemie mein Weg ist.» In seiner Diplomarbeit befasste er sich dann mit Blutzuckersensoren, die in den Körper verpflanzt werden und dort den Blutzuckerspiegel messen. Aber dabei blieb es nicht. Hintennach interessierte sich bereits während des Studiums für Energiespeichertechnologien und Batterien. Motiviert durch die Vorlesungen von Petr Novak, Professor am Departement für Chemie und angewandte Biowissenschaften, folgte er diesem später für seine Dissertation ans Paul-Scherrer-Institut.
Mit Herzblut zum Ziel
Zweieinhalb Jahre hat sich Hintennach mit der Erforschung und Verbesserung der Batterien beschäftigt. Eine lange und intensive Zeit: «Das nächste Mal würde ich das Ganze entspannter angehen.» Doch der Aufwand hat sich gelohnt: Mit seiner Dissertation überzeugte der 26-jährige Chemiker eine neunköpfige Jury mit Mitgliedern unter anderem aus den Stromverbundsunternehmen von «swisselectric», der Forschung und dem Bundesamt für Energie. Elf weitere Anwärter liess er hinter sich.
Laut dem Geschäftsführer von «swisselectric», Michael Paulus, stach Hintennach hervor, weil er unter anderem den davor unbekannten Vorgang der Alterung von Graphit offen gelegt und Prozesse zur Herstellung einer solchen verbesserten Batterie entwickelt hat. «Wir müssen noch viel forschen, damit das fossile Zeitalter abgelöst werden kann. Herr Hintennach hat einen Meilenstein in der Grundlagenforschung auf diesem Weg gesetzt», sagt Paulus.
Der junge Chemiker freut sich über die Anerkennung: «Der Preis kam unerwartet. Ich bin positiv überrascht.» Das Preisgeld von 25’000 Franken kann Hintennach brauchen, wenn es ihn demnächst in die USA verschlägt: Für ein bis zwei Jahre wird er am Massachusetts Institute of Technology (MIT) sein Postdoc machen.
So funktioniert eine Lithiumionen-Batterie
Bild: swisselectric research
Lithiumionen-Batterien stecken in Mobiltelefonen, MP3-Playern, Laptops und Elektroautos. Sie erzeugen die elektrische Spannung durch das Verschieben von Lithium-Ionen zwischen den Elektroden (siehe Abbildung unten). Wird die Batterie geladen, wandern positive Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und setzen sich zwischen den Graphitschichten ab. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück. Bei diesem Vorgang blättert der Graphit der Elektrode langsam ab. Dadurch verringert sich die Speicherkapazität der Batterie.