Große Leistungen mit dem Supermikroskop

Forscher aus Stuttgart und Ulm haben erstmals live beobachtet, wie Lithium-Atome zwischen zweidimensionalen Kohlenstoff-Schichten eingelagert werden. Ihre Ergebnisse könnten die Entwicklung von Superbatterien für Smartphones und Elektroautos beflügeln. //

Frau Prof. Kaiser, gemeinsam mit Kollegen haben Sie im renommierten Fachmagazin „Nature“ über Forschung an Lithium-Atomen in Graphen berichtet. Worum ging es da konkret?

Ute Kaiser: In unserem Forschungsprojekt „Study-2D“, das die Baden-Württemberg Stiftung im Programm CleanTech finanziert, haben wir weltweit zum ersten Mal mit atomarer Auflösung beobachtet und verstanden, wie sich Lithium zwischen zwei Schichten aus Graphen – dem nur ein Atom dicken „Wundermaterial“ – bewegt und einlagert. Dabei hat mein Team an der Universität Ulm eng mit Kollegen in Stuttgart und Dresden zusammengearbeitet.

Warum sind diese Forschungsresultate etwas Besonderes?

Lithium spielt bei der elektrochemischen Speicherung von Energie in Batterien eine zentrale Rolle. Alle heutigen Akkus von Smartphones, Laptops und Elektroautos basieren auf der Lithium-Ionen-Technik: Die Energiespeicherung erfolgt durch Lithium-Ionen, die vorübergehend in bestimmten Materialien eingelagert werden. Weltweit wird daran geforscht, diese Technik zu verbessern, sodass die Akkus bei gleicher Größe und gleichem Gewicht mehr Energie bereithalten können. Verbindungen aus reinem Kohlenstoff eignen sich gut als Speichermaterial. Doch um sie nutzen zu können, müssen die grundlegenden physikalischen Vorgänge verstanden sein.

Welche Technik haben Sie dafür benutzt?

Wir verwendeten zur Abbildung ein Mikroskop, das im Rahmen des von mir geleiteten Projekts „SALVE“ neu entwickelt wurde und derzeit das einzige seiner Art ist. Das sogenannte Transmissionselektronenmikroskop erlaubt es, besonders materialschonend – mit niederenergetischen Elektronen – zu arbeiten, und erreicht dennoch eine so hohe Auflösung und kontrastreiche Abbildung, dass wir erstmals einzelne Lithium-Atome „sehen“. Ermöglicht wird das durch eine zusätzliche Komponente im Mikroskop, die Farb- und Öffnungsfehler der Objektivlinse korrigiert.

Was war die größte Herausforderung?

Wir hatten an vielen Stellen enorme Herausforderungen zu meistern. Zunächst mussten für die Untersuchungen im SALVE-Mikroskop eigens winzige Miniatur-Chips entwickelt und hergestellt werden – dieser Aufgabe stellte sich das Max-Planck-Team in Stuttgart. In der nur 0,3 millionstel Millimeter dünnen Nanozelle wurden zwei Schichten aus Graphen exakt übereinander platziert. Die Lithium-Ionen, deren Diffusion wir zwischen den Graphen beobachten wollten, kamen aus einem Elektrolyt-Tropfen der Zelle, in dem ein Lithiumsalz gelöst war. Für die Aufnahmen im Mikroskop platzierte das Stuttgarter Team den Tropfen sehr präzise und schaffte es, ihn durch ein spezielles Polymer zu stabilisieren.

Was haben Sie unter dem Mikroskop gesehen?

Nach Anlegung einer Spannung an unsere Minizelle im Mikroskop wanderten die Lithium-Ionen aus dem Elektrolyt-Tropfen zwischen die Graphen-Schichten. Dabei war es spannend herauszufinden, dass sich die Lithium-Atome in Form eines dünnen, wenige Atome dicken Kristalls zwischen den zwei Graphen-Schichten bewegten. Beim umgekehrten Prozess wanderten die Atome zurück in den Tropfen. Das konnten wir direkt mit unserem Supermikroskop beobachten, das Experten bedienen mussten.

Wie lief die Zusammenarbeit im Team?

Wir sind ein echtes Team, in dem jeder ohne den anderen das Ergebnis nicht hätte erhalten können. Jurgen Smet und seine Gruppe haben eine große Expertise im Bau von Minizellen, wir sind Experten für die Elektronenmikroskopie. Für unsere mikroskopischen Experimente kamen die Stuttgarter mit der präparierten Minizelle nach Ulm. Sie steuerten die Minizelle, wir das SALVE-Gerät. Ganz wichtig für das Verständnis der Mikroskop-Abbildungen war unsere Zusammenarbeit mit Dr. Arkady Krasheninnikov und seinem Team vom Helmholtz-Zentrum in Dresden-Rossendorf, die die Stabilität möglicher Lithium-Kristalle zwischen Graphen berechneten.

Haben Sie die Messergebnisse überrascht?

Ja, sehr. Wir hatten erwartet, dass sich eine Phase mit wenigen Lithium-Atomen bildet: LiC6 (also ein Lithium-Atom auf sechs Kohlenstoff-Atome). Denn diese bildet sich in den auf Graphit basierenden Batteriezellen aus. Doch wir haben nachgewiesen, dass sich zwischen nur zwei Graphen-Schichten eine wenige Lagen dünne, dicht gepackte Lithium-Phase bildet.

Was bedeutet diese Erkenntnis?

Die Resultate zeigen, dass sich in zweidimensionalen Systemen besonders viele Ionen speichern lassen. Das könnte die Entwicklung neuer „Superbatterien“ mit sehr hoher Speicherkapazität inspirieren. Heute ist das noch reine Grundlagenwissenschaft, aber wir hoffen natürlich auf eine künftige Verwertung unserer Erkenntnisse.

Interview: Rolf Metzger. Foto: Heiko Grandel.


Zur Person

Prof. Dr. Ute Kaiser ist Kristallografin. Sie hat an der Humboldt-Universität in Berlin studiert und promoviert und an der Universität Jena habilitiert. Nach Forschungsaufenthalten im englischen Cambridge, in Sendai (Japan) und den Bell Labs in den USA ist sie seit 2004 Professorin an der Universität Ulm. Sie ist Expertin für Elektronenmikroskopie. Ein Schwerpunkt ihrer Forschung liegt auf der atomaren Abbildung von sogenannten zweidimensionalen Materialien, die künftig in Solarzellen oder Batterien Anwendung finden könnten.