Das Paul Scherrer Institut (PSI) ist das grösste Forschungszentrum für Natur- und Ingenieur-wissenschaften in der Schweiz.


Das PSI bildet sowohl Berufsleute als auch Studierende aus. Es beschäftigt rund 1300 Mitarbeitende und entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen.

 

Jährlich kommen mehr als 2´000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Schweiz und der ganzen Welt ans PSI, um an den einzigartigen Anlagen Experimente durchzuführen, die so woanders nicht möglich sind.

 

Das Institut ist nach dem Schweizer Physiker Paul Scherrer benannt und wurde 1988 gegründet.

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Paul-Scherrer-Institut

Die Forschung, die den Materialien auf den Grund geht

Die BKW beteiligt sich im Bereich der Energieeffizienz und Weiterentwicklung der CO2-armen Mobilität an verschiedenen Projekten. Dabei stehen die Förderung neuer Technologien, Infrastruktur und Produkte in den Bereichen Ladung und Speicherung in Vordergrund.

Und hier kommt das Paul Scherrer Institut (PSI) ins Spiel.

Das PSI erforscht drei Themenschwerpunkte: Struktur der Materie, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Einer der Schwerpunkte der Energieforschung widmet sich der Effizienzsteigerung bei der Energiespeicherung und umwandlung: zum Beispiel für Akkus, die in der Elektromobilität eingesetzt werden. Wir sprachen mit Prof. Dr. Petr Novák, Leiter der Sektion Elektrochemische Speicher.

«Unsere Vision ist die umweltfreundliche Mobilität. Je nach Mobilitätstyp eignen sich manche Antriebssysteme besser als andere. Für lange Fahrten beispielsweise sind Antriebe mit Brennstoffzellen geeignet, für kürzere dagegen bieten sich Elektrofahrzeuge oder Hybridmotoren mit Akkumulatoren an, » erklärt Petr Novák.

Das Antriebssystem wird durch den Einsatz von Speichermedien, also Batterien, noch effizienter. Entscheidendes Forschungsziel ist ihre hohe Energie- und Leistungsdichte. Das Team von Petr Novák erforscht diverse Möglichkeiten der Speicherung: «PSI ist kein Batterieanbieter, aber wir interessieren uns z.B. für ihre Alterung. Unser Fokus liegt dabei in der Materialforschung, insbesondere für Lithiumionen-Batterien der nächsten und übernächsten Generation.»

Lithiumionen-Batterien verfügen neben einer hohen Speicherdichte auch über eine gute Lebensdauer und Effizienz bezüglich der Lade- und Entladezyklen. Leider sind sie zurzeit wegen der hohen Materialkosten für den breiten Einsatz in Elektrofahrzeugen zu teuer.

Materialien unter der Lupe

Um die Materialien erforschen zu können, hat das PSI ein Rasterelektronenmikroskop mit finanzieller Unterstützung der BKW beschafft. Die Forscher erreichen damit eine bis zu 300´000-fache Vergrösserung des Objektes und bewegen sich damit auf der Mikro- und Nanometerebene (1 cm = 10´000 Mikrometer = 10´000´000 Nanometer). Mikroskope mit einer noch grösseren Auflösung befinden sich bereits in der Visualisierung einzelner Atome.

Klinik Lindberg

Bild 1 - Vergrösserungen von Elektroden die hauptsächlich aus Graphitpartikeln bestehen - ein typisches Elektrodenmaterial welches in Lithiumionen-Batterien verwendet wird.

Bild 2 – Gleiche Vergrösserung, jedoch nach mehrfacher Ladung und Entladung der Zelle, in der sich die Elektrode befand – eine typische Belegung mit einem «Film» aus Elektrolytbestandteilen ist sichtbar.

Die Proben müssen trocken und vakuumbeständig sein um verfälschende Strukturänderungen im Hochvakuum der Probenkammer auszuschliessen. Die Forscher ziehen Rückschlüsse über Schichtstruktur, Filmbildungen, Zersetzungen und Veränderungen des Materials beim Laden und Entladen des Akkus. Aufgrund dieser Beobachtungen nehmen die Forscher Korrekturen in der Materie vor, um unter anderem die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.

Dr. Wolfgang Märkle, Projektleiter Elektroden und Zellen, erklärt die Funktion des Rasterelektronenmikroskops: «Die Elektronenkanone schickt einen fokussierten Elektronenstrahl auf die Oberfläche der Probe. Die Elektronen werden von der Oberfläche reflektiert oder es werden neue Elektronen vom Material ausgesendet. Anhand dieser Reflexionen können mittels der Detektoren Rückschlüsse auf die Oberfläche, Beschaffenheit und Konsistenz des Materials gezogen werden indem der Elektronenstrahl die Oberfläche Punkt für Punkt abtastet und daraus ein Bild erstellt.»

«Unser Forschungsziel ist die hohe Energie- und Leistungsdichte einer Lithiumionen-Batterie. Wir tragen aber auch der Sicherheit, Umweltfreundlichkeit und den niedrigen Kosten Rechnung.» schliesst Herr Novák ab.

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