Neuartige Batterien nachhaltig entwickeln

„Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sind zwar sehr leistungsfähig, aber auch teuer, denn sie benötigen neben Lithium auch Metalle wie Nickel und Cobalt“, sagt die Chemikerin Prof. Dr. Yan Lu. „Daher forsche ich an nachhaltigeren Alternativen, wie zum Beispiel Lithium-Schwefel-Batterien und auch an Batterien, die auf Hybridmaterialien basie­ren“, erläutert die 47-jährige Wissenschaftlerin, die seit diesem Semester an der Friedrich-Schiller-Universität Jena tätig ist. In ihrer Arbeit verbindet sie verschiedene Expertisen: Um Energie elektrochemisch verfügbar zu machen, kombiniert sie beispielsweise organische und anorganische Chemie und greift dabei unter anderem auch auf Untersuchungsmethoden aus der Biochemie zurück.

Im Rahmen ihrer gemeinsamen Berufung mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)Externer Link, wo sie weiterhin das Institut für Elektrochemische Energiespeicherung leitet, ist die neue Profes­sorin zudem Ko-Direktorin des 2023 in Jena von Universität und HZB gegründeten Helmholtz-Instituts für Polymere in Energieanwendungen Jena (HIPOLE Jena)Externer Link.

Neuartige Batterien entwickeln und in die Praxis überführen

„Mein Ziel ist, neuartige Batterien zu entwickeln, die über die Grundlagenforschung hinaus auch real eingesetzt werden können“, erklärt die Professorin. „Dazu möchte ich ganz genau verstehen, was beim Laden und Entladen mit den Materialien der Batterie passiert. Viele übliche Messmethoden aus der Materialforschung können hier aber nicht oder nur bedingt angewendet werden – vor allem, während die Batterie tatsächlich betrieben wird“, sagt Lu.

„Strom ist ja letztendlich die gerichtete Bewegung von Elektronen, wie wir aus dem Physikun­terricht wissen“, so die Forscherin. „Wenn also eine Batterie geladen wird oder Strom abgibt, bewegen sich Elektronen zwischen deren Kathoden- und Anodenmaterial. Es ist jedoch eine Herausforderung, die chemische und strukturelle Veränderung von Batterien während dieses Prozesses in situ/operando zu beobachten.“ Die üblichen Ex-situ-Verfahren zur Material­untersuchung wiederum können die Beschaffenheit des Materials bzw. der Oberfläche während der Probenhandlung selbst verändern.

Modernste Untersuchungsmethoden

„Daher bin ich froh, dass mein Team und ich auf das Synchrotron BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin zurückgreifen können, mit dem insbesondere sogenannte weiche Röntgen­strahlung erzeugt werden kann“, freut sich die Forscherin. „Wir sind aber auch offen für andere minimal-invasive Methoden, um die Batterien während des Betriebs zu erforschen“, sagt sie und verweist unter anderem auf die Kryoelektronen-Mikroskopie, die auch in der Biologie benutzt wird.

Standortvorteil Thüringen

Während sie ihre Forschung an den Lithium-Schwefel-Batterien vor allem am HZB betreibt, fokussiert sich Prof. Lu in Jena auf Hybridmaterialien, die organische Polymere mit anorgani­schen Materialien kombinieren. „Ich denke, gerade hier in Jena kann ich die ganz unter­schied­lichen Expertisen kombinieren, die es auf dem Gebiet der elektrochemischen Energie­speicherung braucht.“ Insgesamt sieht sie einen klaren Standortvorteil für Jena: „Die Indust­rie hier ist sehr interessiert an den Anwendungsmöglichkeiten meiner Forschung, etwa an Batteriematerialien“, sagt sie. „Generell ist Thüringen als Entwicklungsstand­ort neuer Batterietechnologien sehr attraktiv.“

Den neuesten Forschungsstand in die Lehre bringen

Besonders freut sich die Chemikerin auf die Lehre, die sie ab dem Sommersemester 2024 in Jena aufnehmen wird. „Die Batterieforschung schreitet unglaublich schnell voran“, weiß Lu. „Daher ist es mir wichtig, in meiner Vorlesung in Technischer Chemie und Umweltchemie den neuesten Stand der Wissenschaft an die Studierenden zu vermitteln.“ Auch in Praktika möch­te sie den Studierenden die Forschung hautnah vermitteln, indem diese beispielsweise im Masterstudium Batteriematerialien selbst herstellen und testen.

Nach ihrem Chemiestudium in Shanghai wurde Yan Lu an der TU Dresden promoviert und forschte anschließend erst in Bayreuth und ab 2009 am Helmholtz-Zentrum Berlin. 2017 wurde sie Professorin an der Universität Potsdam und am HZB. Neben ihrer Arbeit am Helmholtz-Zentrum ist sie seit dem Wintersemester 2023/24 auch an der Universität Jena Professorin für Hybrid­materialien für elektrochemische Energiespeicher und Wandler.