Effiziente Energiespeicher im Fokus

Funktionsprinzip einer Batterieelektrode (links) und einer Sauerstoffmembran (rechts) auf Basis der nanostrukturierten Komposit-Materialien. (Bild: M. Elm, JLU)

Dr. Matthias Elm wird im neu gegründeten Zentrum für Materialforschung (LaMa) der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) eine Nachwuchsgruppe aufbauen. Im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs „NanoMatFutur“ des BMBF konnte sich der Nachwuchswissenschaftler mit seinem Projekt „NIKO – Nanostrukturierte Ionenleiter-Komposite als Schlüsselkomponenten für effiziente Energiespeicher- und -wandlertechnologien“ durchsetzen. Elm erforscht die Eigenschaften nanostrukturierter Komposit-Materialien für Anwendungen im Bereich der Sauerstoffmembranen und Lithiumionen-Batterien. Das BMBF fördert sein Projekt für die nächsten fünf Jahre mit rund 1,4 Millionen Euro.

„Die Materialforschung hat als Querschnittstechnologie eine große Bedeutung“, so JLU-Präsident Prof. Dr. Joybrato Mukherjee. „Ich freue mich sehr darüber, dass die JLU mit der Nachwuchsgruppe von Dr. Elm weitere Impulse in diesem innovativen Forschungsgebiet setzen kann und gratuliere ihm herzlich zu diesem Erfolg.“

Sauerstoffmembranen und Lithiumionen-Batterien spielen in modernen Energiespeicher- und -wandlertechnologien eine entscheidende Rolle. Die Membranen dienen sowohl als Filter zur Herstellung von reinem oder auch chemisch aktiviertem Sauerstoff, der als Oxidationsmittel benötigt wird. Lithiumionen-Batterien werden in immer stärkerem Maße als Energiespeicher eingesetzt. Die Speichereigenschaften der Batterien zu verbessern und die Betriebstemperatur von Sauerstoffmembranen zu senken, sind hierbei wichtige Aufgaben. In beiden Anwendungen spielen sogenannte ionisch/elektronisch gemischte Leiter eine zentrale Rolle. Diese Materialien benötigen gleichzeitig eine sehr hohe ionische und auch elektronische Leitfähigkeit, was in einphasigen, homogenen Stoffen nur selten erreicht wird.

Dr. Matthias Elm (Bild: M. Röher / JLU)

Die Entwicklung von mehrphasigen Komposit-Materialien, in denen gute Ionenleiter mit guten Elektronenleitern kombiniert werden, könnte eine deutliche Leistungssteigerung in beiden Anwendungsbereichen ermöglichen. Insbesondere die Eigenschaften der entstehenden Grenzflächen könnten hierbei der Schlüssel zum Erfolg sein.

Elms Nachwuchsgruppe entwickelt im Rahmen des Projekts neue Methoden zur Herstellung von Komposit-Materialien mit besonderen Transporteigenschaften. Dazu werden die physikalischen Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf ionenleitende Systeme übertragen. Insbesondere sollen die inneren Grenzflächen derart modifiziert werden, dass eine signifikant erhöhte Lithium-Speicherfähigkeit bzw. ein schnellerer Transport für Sauerstoff erreicht wird. In Zusammenarbeit mit Industriepartnern sollen mit Hilfe der Komposite Feststoffbatterien mit optimierten Kathodeneigenschaften sowie funktionstüchtige Sauerstoffmembrane mit reduzierter Betriebstemperatur realisiert werden.

Elm, Jahrgang 1980, studierte Physik an der Philipps-Universität in Marburg. 2010 promovierte er an der JLU in der Arbeitsgruppe von Peter Klar am I. Physikalischen Institut auf dem Gebiet granularer Hybridstrukturen. Anschließend forschte er ein Jahr in Japan am „Research Center for Integrated Quantum Electronics“ an der Hokkaido University in Sapporo, wo er sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung ferromagnetischer Nanocluster für spintronische Anwendungen beschäftigte. Nach seiner Rückkehr nach Gießen weitete er 2013 seine Forschungsaktivitäten auf den Bereich der Festkörperchemie am Physikalisch-Chemischen Institut in der Arbeitsgruppe von Jürgen Janek aus, wobei der Schwerpunkt auf Untersuchungen der Transporteigenschaften von nanostrukturierten ionischen und gemischtleitenden Oxiden liegt. Im Zentrum für Materialforschung (LaMa) der JLU leitet er seit Februar 2017 die neue „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Nanoionik und Nanoelektronik“. (Quelle: JLU)

Link: AG Elm, Zentrum für Materialforschung (ZfM/LaMa), Justus-Liebig-Universität Gießen

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