Talk Science to Me #57: Inside a battery
Interview in German only.
Für Batterien und andere Stromspeicher gibt es unterschiedliche Materialien, die auf unterschiedliche Art und Weise eingesetzt werden. Bernhard Gardermaier forscht im Institut für Chemische Technologie von Materialien an diesen Stoffen, beobachtet, wie sich Ionen durch Festkörper bewegen und welche neuen Materialien sich für Batterien eignen könnten. Mein Name ist Birgit Baustädter und ihr hört Talk Science to Me, den Wissenschafts-Podcast der TU Graz.
Lieber Bernhard, vielen Dank, dass du heute hier bist und mit mir über deine Arbeit sprechen wirst. Erzähl mal bitte ein bisschen von deiner Arbeit. Wer bist du? Was forschst du?
Bernhard Gadermaier: Ja, liebe Birgit, danke erstmal für die Einladung und die Möglichkeit, auch hier ein bisschen was über meine Arbeit zu erzählen. Mein Name ist Bernhard Gardemaier. Ich bin Senior Scientist. Am Institut für Chemische Technologie von Materialien untersuchen wir, wie sich Atome oder eben geladene Atome, also Ionen, im Festkörper bewegen und wie diese Beweglichkeit mit der Struktur, also wirklich dem Aufbau der atomaren Anordnung dieser Festkörper zusammenhängt.
Wofür ist das wichtig? Wo kommen diese Festkörper vor?
Gadermaier: In sehr vielen Gebieten kommen die zum Einsatz. Also das bekannteste sind sicher die Batterien, die Lithium-Ionen-Speicher, diese Aktivmaterialien, die da drinnen sind, aber auch die Elektrolyte leiten Ionen, manchmal auch Elektronen, besonders in den Aktivmaterialien, ist beides wichtig. Ansonsten gibt es auch in einer Technologie einen Einsatz dafür, in Transistoren, also eigentlich Widerstände, die eine Art Speicherfunktion haben, die hoffentlich bald auch zum Einsatz kommen, in Computern eigentlich.
Und warum muss man das jetzt untersuchen? Also warum ist es wichtig, wie sich da die Ionen drin bewegen?
Gadermaier: Es ist auf jeden Fall mal interessant. Also es gibt so eine gewisse Grundlagenfacette dahinter einfach. Warum ist das jetzt so? Warum bewegen sich die in dem einen Material schnell und in dem anderen langsam? Wie kann man das auch verändern? Da ist dann natürlich auch oft der Hintergedanke, wenn wir wissen, wie das zusammenhängt, können wir es kontrollieren und können es auch nutzen. Da geht es dann wieder weiter Richtung Anwendung. Das fließt oft ein bisschen ineinander über. Aber ansonsten untersucht man natürlich die Geräte, in denen diese Effekte zum Tragen kommen, also wo das eine wichtige Rolle spielt, zu optimieren, zu verbessern. Das kann sein, dass man versucht, die Langlebigkeit von Batterien zum Beispiel zu erhöhen, zu verlängern oder die Energiedichte zu erhöhen oder zu verlängern.
Ist das was, woran du denkst in der Forschung? Also geht es dir primär um das Grundlageninteresse oder hast du immer so die Anwendung im Hinterkopf?
Gadermaier: Ich muss beides bedenken, um ehrlich zu sein. Mich persönlich interessiert wirklich mehr die Grundlage dahinter. Aber ich sehe natürlich auch, dass es da ein Anwendungsgebiet dafür gibt und dass da ein gewisses Interesse auch von der, ich sage jetzt mal, anderen Seite dahinter ist. Also eher anwendungsorientiert. Aber für mich persönlich ist es mehr die Grundlage. Das, was mich begeistert, ist einfach zu versuchen zu verstehen, wie das nun tatsächlich zusammenhängt. Wie kann ich das erklären? Warum ist das so, wie es ist?
Welche Materialien untersuchst du aktuell?
Gadermaier: Das sind oft Oxide, also Verbindungen mit Metallen und Sauerstoff, wo dann eben noch kleine Ionen dabei sind. Das kann sein Lithium oder Natrium oder Kalium. Oft sind das eben Ionenleiter oder auch Aktivmaterialien.Wo ich jetzt gerade in dem Jahr intensiver daran arbeite, sind sogenannte Mischionenleiter. Das sind also nicht reine Ionen-Leiter. Das sind Materialien, die können Ionen leiten, aber auch Elektronen leiten. Und da ergibt sich eine ganz spannende Dynamik, die ich ganz gern besser verstehen würde. Man kann sich das nämlich so vorstellen, dass die Ionen, also in dem Fall positiv geladene Teilchen, und die Elektronen sich da drinnen bewegen. Und normalerweise ziehen sich die ja an. Also eine positive Ladung und eine negative Ladung zieht sich an. Und jetzt kann man natürlich die Hypothese aufstellen und sagen, naja, die können sich ja wahrscheinlich gar nicht individuell bewegen,sondern die hängen mehr oder weniger ineinander und bewegen sich gekoppelt. Und das ist eine Hypothese. Also die kann man aufstellen und dann kann man versuchen, mit einem gewissen Modellsystem die Antwort rauszukitzeln. Und da habe ich auch für dieses Jahr eine Anschubfinanzierung bekommen von dem Field of Expertise Advanced Material Science und möchte auch Ende dieses Jahres noch einen Antrag beim FWF einreichen, um das Thema eben weiter zu verfolgen.
Wie kommst du auf diese Forschungsfragen? Das ist jetzt nicht etwas, wo man so im Alltag quasi dran denkt. Oder tust du das?
Gadermaier: Die ergeben sich tatsächlich oft zwischendrin. Also man beschäftigt sich mit einem Thema, manchmal eben auch in einem Industrieprojekt, wo man dafür gar nicht so viel Zeit hat, aber es fällt einem auf, da fehlt eigentlich was. Da gibt es wenige Informationen, das ist nicht so wirklich erforscht und dann denkt man im ersten Moment mal, na gut, man hat noch nicht lang genug recherchiert. Dann stürzt man sich da eigentlich so langsam rein und merkt dann, Moment, da fehlt es wirklich. Also da hat noch keiner sogenau nachgesehen. Und das wäre doch mal was. Das wäre doch eigentlich spannend, da die Zusammenhänge aufzudecken und diese Mechanismen dahinter zu studieren.
Du hast jetzt vorher schon gesagt, da geht es unter anderem auch um Materialien, die dann in Batterien eingesetzt werden. Siehst du da irgendwelche Trends oder besonders gut geeignete Materialien, die man vielleicht jetzt noch nicht verwendet? Wo es da irgendwie so ein bisschen hingeht, materialseitig?
Gadermaier: Also was man sicher ganz stark in den Medien liest, ist dieser Übergang von Lithium-Ionen-Akkus, die flüssige Elektrolyte verwenden, hin zu Lithium-Ionen-Akkus, die feste Elektrolyte verwenden. Aber jetzt im Sinne von der Energiewende und einfach welche Mengen wir auch an Akkus brauchen. Also man darf da ja nicht nur an die Elektromobilität denken, sondern muss auch an stationäre Energiespeicher denken. Je mehr Solar- und Windenergie wir haben, desto mehr müssen wir diese Energiespitzen speichern können, puffern können sozusagen. Und da braucht es auch stationäre Speicher. Und da wäre es sehr vernünftig, mehr Richtung Natrium-Ionen-Technologie zu gehen. Also es ist sehr ähnlich der Lithium-Ionen-Technologie zu gehen. Also es ist sehr ähnlich der Lithium-Ionen-Technologie. Genau, sehr einfach gesagt, dann tauscht man nur das Lithium-Ion gegen ein Natrium-Ion aus. Im Periodensystem liegt das direkt unter dem Lithium, ist auch relativ klein, kann sich auch schnell bewegen, ist aber nicht so gut erforscht, besonders hinsichtlich der Aktivmaterialien. Und da wäre es ganz gut, weiter da in die Richtung auch zu forschen.
Tut ihr das?
Gadermaier: Auch ja. Also wir sind da eigentlich sehr offen und untersuchen Natrium-Lithium-Ionenleiter mit verschiedenen Techniken, um da einfach auch das zu verstehen. Weil das ist eigentlich auch ein ganz interessanter Aspekt. Man hat hier dann in beiden Fällen, im Fall von Lithium und von Natrium, ein kleines positiv geladenes Ion, das sich in einem Festkörper bewegt. Aber die Größe ist leicht unterschiedlich. Und dann kann man natürlich versuchen, Materialien zu nehmen, die ansonsten idente Zusammensetzung haben, aber nur die Ionengröße verändert wurde. Und dann kann man schauen, was ändert sich jetzt an der Leitfähigkeit? Kann sich das Lithium schneller bewegen, das etwas kleiner ist? Oder das Natrium, das etwas größer ist, im gleichen Umfeld? Und so kann man auch wieder eben versuchen, so kleine Fragen zu beantworten an einer kleinen Modellstudie.
Wie schauen eure Versuche aus? Also wie muss ich mir das Labor vorstellen? Wie schaust du dir Ionen an?
Gadermaier: Das machen wir eigentlich sehr breit gefächert, würde ich sagen, weil wir die nicht nur anschauen, sondern wir auch verstehen wollen, wie sie sich bewegen. Das bedeutet auch oft, dass wir diese Materialien selber herstellen müssen. Das heißt, wir haben eine sehr große Bandbreite an experimentellen Techniken und Synthesemethoden, die wir eben verwenden. Das heißt, wir kaufen eigentlich nur die Ausgangssubstanzen. Also es sind oft irgendwelche farblosen Pulver oder weiße Pulver, die wir dann vermischen und zum Beispiel in einem Ofen zum Reagieren bringen. Und dann bereiten wir die Proben so vor, dass wir sie eben messen können. Und wir verwenden dazu jedenfalls verschiedene Methoden. Das ist zum Beispiel die Impedanzpektroskopie, eine ganz wichtige Methode. Das ist eine Wechselstrommessung, mit der wir sehr genau studieren können, wie sich die Ionen da drin jetzt bewegen in dem Festkörper. Das ist eigentlich der große Vorteil daran. Also wenn man es genau nimmt, studieren wir die Beweglichkeit von Atomen. Das Schöne ist aber, die haben Ladungen. Und dann kann man die mit elektrischen Messmethoden auch wirklich messen, weil sie mal eine Ladung ist, die sich mit dem Atom bewegt. Eine positive oder eine negative. Und die Methode gibt einen guten Aufschluss über die Beweglichkeit. Das kann man jetzt bei verschiedenen Temperaturen messen. Dann kann man sogar bestimmen, wie schwer die Ionen es sozusagen haben, also wie viel Energie brauchen die sozusagen, um wirklich zu hüpfen. Die Ionenbewegung ist ja nicht kontinuierlich in dem Sinn. Also es ist nicht wie ein Auto, das auf der Straße fährt mit einer gewissen Geschwindigkeit, sondern die springen in dem Festkörper. Also die sitzen an einer Position und dann sitzen die da eine Zeit lang rum und dann hüpfen die mal woanders hin. Das ist wie wenn man von einem Sessel auf den nächsten sozusagen sich rüber setzt. Dann setzen wir sie vielleicht mal wieder zurück und so bewegen sich die. Und das Schöne ist, dass wir gerade bei Lithium und bei Natrium noch eine weitere Methode haben. Das ist die NMR-Spektroskopie. Und damit können wir dann auch ganz gezielt untersuchen, wie sich das Lithium-Ion bewegt und wie sich das Natrium-Ion bewegt. Das ist vor allem dann eine ganz tolle Ergänzung, wenn es mehr als nur einen Ladungsträger gibt. Das muss ich ein bisschen ausführen. Die Impedanzspektroskopie ist eben eine Methode, die erfasst Ladungen, die sich bewegen. Kann jetzt aber per se nicht automatisch unterscheiden, welche Ladungen das sind. Das könnten Elektronen sein, das könnten Ionen sein, das könnten positiv geladene Ionen sein, negativ geladene Ionen. Das wissen wir dann oft gar nicht. Und da ist eine super Ergänzung die NMR-Spektroskopie, denn die kann dann nochmal individuell auf eine Summe von Atomen, muss man natürlich sagen, also auf eine einzelne Summe von Atomen, muss man natürlich sagen, also auf eine einzelne Art von Atomen. Also da könnte man dann zum Beispiel schauen, wie bewegt sich jetzt das Lithium-Ion da drinnen, wie bewegt sich das Natrium-Ion da drinnen. Wir haben auch schon Studien gemacht, wo wir versucht haben, ein Atom zu beobachten, das sich gar nicht bewegt, das aber nur sieht, wie sich die Umgebung verändert, weil die mobilen Ionen vorbeizischen. Das kann man also auch mit 31 Phosphor nachsehen sozusagen in der Struktur, wie bewegen sich die Teilchen da drinnen. Und das sind sicher zwei der großen und wichtigsten Methoden, die wir standardmäßig verwenden. Hinzu kommt dann einfach auch noch die Elektrochemie. Die ermöglicht auch nochmal Zugriff sozusagen auf so Beweglichkeiten von Teilchen in den Festkörpern, vor allem in Aktivmaterialien dann wirklich. Also die Materialien, wo die Energie dann gespeichert wird. Da kann man auch mit elektrochemischen Methoden bestimmen, wie schnell sich die Teilchen da drin bewegen. Dann hat man da drei Methoden, die sehr unterschiedlich funktionieren. Die NMR als kontaktfreie Methode, die Impedanzspektroskopie als Methode, bei der man die Probe während der Messung gar nicht verändert, so wie in der NMR, und in der Elektrochemie, wo man die Probe immer verändert. Und das Tolle daran ist, dass natürlich jede Methode seine Nachteile hat und seine blinden Flecken hat. Wenn man jetzt mit drei sehr verschiedenen Methoden die gleiche Größe misst, dann kriegt man einen sehr guten Einblick und einen hoffentlich richtigen Einblick, wie das da wirklich vonstatten geht mit der Bewegung der Ionen im Festkörper.
Was ist das Ergebnis, das ihr da rausbekommt? Also ist das irgendwie so ein Film oder sind das einzelne Zahlendaten?
Gadermaier: Die Ergebnisse, die wir da bekommen, sind oft eine Flut an Daten, muss man sagen, die man dann noch wirklich händisch auswerten muss, um zu schauen, was da wirklich los ist, dass man da keinen Fehler bei der Auswertung macht. Also in der Impedanzspektroskopie sind das immer ganz viele Größen eigentlich, die wir haben. Also die Messung ist verhältnismäßig simpel. Da gibt es genau genommen nur zwei Größen, die man misst. Man legt da eine Wechselspannung an und kriegt einen Wechselstrom als Antwort. Da misst man die Amplitude, die Auslenkung von der Stromantwort und die Phase im Vergleich zur Spannung. Mit den beiden Größen, das ist das Einzige, was man wirklich misst, kann man ganz viel berechnen, ganz viele verschiedene Datenauftragungen machen. Und die können einem richtig viel darüber verraten, was da so los ist in der Probe, wer sich wie bewegt, wie schnell die sind. Oft kann man damit auch unterscheiden, über welchen Bereich sich eigentlich diese Ladungsträger jetzt bewegen .Also es gibt gerade in den Keramiken oft das Problem, dass wir kristalline Körnchen haben. Die sind verwachsen zu einem großen Werkstoff, aber die Körner sind durch Korngrenzen getrennt. Und bei den Ionenleitern hat man sehr oft das Problem, dass wir eine super schnelle Leitfähigkeit haben in den Körnern, die kommen aber nicht so gut raus. Also die haben es total schwer von einem Korn ins nächste zu kommen. Das ist aber gerade wieder das, was ganz interessant wäre für die technische Anwendung. Da brauchen wir den langen, reichweitigen Transport. Und solche Sachen kann man sehr gut analysieren mit der Impedanzspektroskopie und da auch unterscheiden, wie das so geht. Und da muss man halt dann oft zu extremen Temperaturen auch gehen. Wir hatten das jetzt erst letztens bei einem Material, das ist ein Natrium-Ionen-Leiter. Also das Material besteht eigentlich aus Natrium, Antimon und Schwefel. Da haben wir ein bisschen Antimon gegen Wolfram ausgetauscht und dadurch die Struktur leicht verändert und sozusagen Leerstellen erzeugt. Also Plätze in der Kristallstruktur, wo jetzt kein Natrium sitzt. Und dadurch wird die Leitfähigkeit extrem hoch. Und das war ganz, ganz spannend und eigentlich auch total schwierig, dann wirklich die ordentlich zu messen. Also wenn man ganz schnelle Leitfähigkeiten hat, dann kann man die experimentell die Impedanzspektroskopie gar nicht erfassen bei Raumtemperaturen und muss dann richtig runterkühlen. Da muss ich dazu sagen, ein Ionen-Leiter hat eine hohe Leitfähigkeit bei hoher Temperatur und je tiefer die Temperatur ist, desto langsamer ist die Leitfähigkeit, desto geringer ist die Leitfähigkeit. Das ist genau umgekehrt zu den Metallen. Und wir haben dann wirklich unser Impedanzspektrometer noch einmal so weit getrieben, dass wir bis minus 160 Grad runterkühlen konnten und dann einfach mal wirklich direkt und eindeutig messen konnten, wie schnell sich diese Teilchen da wirklich bewegen.Und das war ganz spannend. Also das war in einer Masterarbeit von einer Kollegin und das haben wir auch in dem Jahr jetzt veröffentlicht. Und sowas ist, finde ich, sehr interessant, sehr spannend.
Du hast jetzt schon sehr viel darüber geredet, was dich fasziniert in deiner Forschung. Warum bist du den Weg eigentlich gegangen? Also warum forschst du jetzt das, was du forschst?
Gadermaier: Das ist witzig, weil das genau genommen eigentlich sogar nicht absehbar war muss ich sagen. Ich habe ursprünglich Molekularbiologie studiert hier in Graz. Und habe dann auch mein Master in der molekularen Mikrobiologie gemacht in Nawi Graz. Ein paar jahre bevor ich fertig wurde, gab es eine Studie, die von der Arbeitsgruppe mitveröffentlicht wurd. Die haben Bakteriophagen verwendet. Bakteriophagen sind Viren, die nur Bakterien infizieren können. Sie haben diese Bakteriophagen genetisch verändert und dann genutzt, um Aktivmaterialien herzustellen, also anorganische Materialien für Batterien eben. Und mein Chef, der Professor Wilkening, kannte diese Studie und hat das eigentlich ganz interessant gefunden. Als ich dachte, das müssen wir uns auch mal anschauen, wie das geht. Und so ist das entstanden. Also das war mein Einstieg eigentlich von der belebten Materie in die unbelebte Materie, muss man sagen. Und so bin ich da langsam rübergegangen in die Festkörperchemie eigentlich und in die Festkörperchemie und wie sich Teilchen darin bewegen. Das war mein Einstieg in die Welt. Und während meiner Doktorarbeit in seiner Arbeitsgruppe habe ich eben nach und nach mich intensiver mit den Methoden beschäftigt und bin immer weiter in die Festkörperchemie eingetaucht und so ist das passiert. Das war ein sehr interessanter Weg, muss ich sagen. Es war ganz spannend, das zu sehen.
Wo siehst du da Parallelen zwischen dem, was du studiert hast und dem, was du jetzt machst? Aber auch, wo sind die großen Unterschiede für dich?
Gadermaier: Diese Themen an sind hochkomplex und dadurch einfach spannend. Also ein Beispiel, eigentlich gibt es nur 20 oder 21 proteinogene Aminosäuren und aus denen werden alle Eiweiße aufgebaut, die unseren Körper jetzt eigentlich machen. Und dieses komplexe System sind mehr oder weniger nur ein paar Bausteine. Und ähnlich ist es auch bei den Ionenleitern, das sind nur ein paar Bausteine in Wirklichkeit. Also da ist fast immer Sauerstoff dabei, dann ist ein Übergangsmetall meistens dabei. Und trotzdem sind diese Systeme so hochkomplex und so unterschiedlich. Das ist was, was auf jeden Fall eine Parallele ist. Also die Möglichkeiten und die Komplexität in diesen Systemen, obwohl sie aus so wenigen Bausteinen bestehen, das ist auf jeden Fall eine Parallele. Die Arbeitsweisen sind völlig unterschiedlich, muss man sagen. Also wenn man in der Molekularbiologie tätig ist, arbeitet man immer mit Lebewesen, meistens mit Einzellern, arbeitet man immer mit Lebewesen, meistens mit Einzellern. Aber es sind immer Lebewesen, die haben natürlich, so wie wir auch, gewisse Bedürfnisse - Temperatur, Nahrung. Und das haben die Festkörper nicht. Die muss man nur schützen. Die meisten davon sind sehr empfindlich, reagieren mit Wasser. Darum arbeiten wir auch sehr viel in diesen sogenannten Gloveboxen. Also diese Handschuhboxen, wo Inertgasatmosphäre drinnen herrscht und man Argon- oder Stickstoffgas hat und extra Gasreinigungssysteme. Aber das erinnert mich immer ein bisschen an die Kontaminationsgefahr in der Molekularbiologie. Also wenn man so eine Zellkultur hat oder eine Bakterienkultur, muss man auch immer aufpassen, dass man nicht fremde Sachen reinbringt, also Kontaminationen. Das ist eigentlich bei den Festkörpern ein bisschen ähnlich. Gefahrenquellen sind andere.
Ist das eigentlich gefährlich für die Personen, die daran forschen?
Gadermaier: Ach so, nein. Also wir arbeiten immer mit kleinen Mengen, beziehungsweise man muss sich auch vorinformieren, womit man arbeitet. Es gibt immer diese Sicherheitsdatenblätter. Dadurch, dass wir sehr viel in den Gloveboxen arbeiten und die Proben diese gar nicht verlassen, hat man immer zumindest eine dicke Plexiglasscheibe zwischen sich und der Probe und da besteht eigentlich relativ wenig Gefahr. Also das sind Chemiker*innen, die gerade ihre Abschlussarbeiten machen, haben vielleicht eine Bachelorarbeit, eine Masterarbeit oder schon eine Promotion. Die wissen eigentlich, wie man sich in einem Labor sicher verhält und hat sich die Gefahr sehr geringer.
Hat dich eigentlich diese Art von wissenschaftlicher Karriere schon immer interessiert?
Gadermaier: Muss ich sagen, ja. Ich hätte mir tatsächlich zu Beginn meines Studiums nicht gedacht, dass ich jemals in der Festkörperchemie lande. Das nicht, aber doch, es hat mich immer fasziniert wie die Sachen funktionieren auf dieser kleinen Ebene. Das war mal auf molekularer Ebene die Molekularbiologie und jetzt bin ich auf atomarer Ebene unterwegs in der Festkörperchemie aber das hat mich schonimmer fasziniert, wie dinge funktionieren.
Aber war das so ein Berufswunsch, vielleicht noch als du ein Kind warst? Dass du dann mal Wissenschafter, Forscher, Erfinder oder so wirst?
Gadermaier: Tatsächlich, ja. Das hat sich in der frühen Jugend bei mir herauskristallisiert, mit den Dingen irgendwie rumzuspielen, rumzuexperimentieren, zu hinterfragen, warum das so ist. Im Grunde habe ich früher immer Tipps gesammelt. Ich wusste zwar nicht so richtig, was ich damit machen soll, aber ich habe sie immer gesammelt und habe gedacht, irgendwann weiß ich, wie das funktionieret und dann kann ich was draus machen.
Und?
Gadermaier: Also ich habe vor ein paar Jahren angefangen mit so Mikrocontroller ein bisschen rum zu spielen. Und mir ein bisschen mehr Programmieren beizubringen und tatsächlich ist das manchmal ganz hilfreich. Also wenn Geräte nicht miteinander reden wollen. Ich hatte jetzt diese Woche den Fall, dass ich mir dann so kleine Mikrocontroller programmiert habe als Schnittstelle zwischen zwei Geräten, die nicht kommunizieren wollten und wir dann so die Experimente wirklich ordentlich und automatisiert im korrekten zeitlichen Ablauf erst durchführen konnten. Also ganz praktisch manchmal.
Gibt es für dich eigentlich so eine Erforschungsfrage, die du gerne im Laufe deiner Karriere beantworten möchtest?
Gadermaier: Es gibt eigentlich viele, aber eine, die mich seit ein paar Jahren verfolgt, ist die folgende. Da muss ich ganz kurz ausholen. Wie bereits gesagt, wir können mit der Impedanzspektroskopie sehr gut messen, wie viele Ladungen sich eigentlich pro Zeiteinheit bewegen. Und diese Messgröße ist eigentlich ein Produkt aus zwei Faktoren. Das ist zum einen, wie viele Ladungsträger bewegen sich, mal wie schnell bewegen sie sich. Jetzt kann man sich zum Beispiel vorstellen, dass man bei einer gewissen Gleitfähigkeit, es könnten wenige Ladungsträger sein, die sich super schnell bewegen, oder ganz viele Ladungsträger, die sich sehr langsam bewegen. Diese beiden Messgrößen auseinanderzuhalten oder wirklich zu studieren, ist gar nicht einfach möglich und ist bei vielen Materialien nicht geklärt. Vielleicht als Beispiel dazu, bei elektronischen Leitern kann man das über Hall-Effekt-Messungen machen. Da kann man dann auch wirklich die Ladungsträgerdichte, also wie viele Ladungsträger habe ich pro Kubikzentimeter, kann ich individuell messen und wie schnell bewegen sie sich. Und da gibt es keine richtig anerkannte Methode in der Festkörperchemie für die Ionenleiter. Und die jetzt wirklich individuell zu bestimmen ist nicht einfach. Da braucht man sicher ein gutes Modellsystem, um das wirklich rauszukitzeln, wer sich da jetzt wie schnell bewegt und wie viele sich da bewegen. Tatsächlich geht man oft davon aus, dass sich alle Ionen in dem Festkörper bewegen. Also wenn man jetzt einen Lithium-Ionen-Leiter hat, ist eine gute Annahme zu sagen, ja, jedes Lithium darin bewegt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit. Jetzt wissen wir aber aus ein paar Studien, dass bei manchen Materialien folgende Situation gegeben ist. Man hat im Kristall zum Beispiel drei Positionen, drei unterschiedliche Positionen, auf jeder sitzt ein Lithium-Atom und zwei davon können sich gut bewegen und die dritte Position, die ist mehr oder weniger gefangen. Also das Lithium, das auf dieser dritten Position sitzt, bewegt sich fast gar nicht. Das bleibt dort immer sitzen über einen langen Zeitraum. Also es springt dann vielleicht nur einmal pro Sekunde und die anderen springen eine Million Mal pro Sekunde. Und das zeigt uns schon, dass das so nicht ganz korrekt ist, das anzunehmen, dass sich die alle gleich schnell bewegen. Und da würde das dann schon eine Rolle spielen. Das sind jetzt keine massiven Unterschiede, man sagt ja ein Drittel, oft geht es ja um Größenordnungen, ein Drittel bewegt sich nicht, ist nicht viel, aber es ist eher so von grundlegendem Interesse. Warum ist das jetzt eigentlich so? Warum bewegen sich die einen und die anderen nicht? Woran liegt das genau? Denn auch da kann man sich wieder überlegen, wenn wir das verstehen, dann können wir vielleicht die Struktur so ändern, dass sich alle schnell bewegen oder dass sich ein anderes Materialebenfalls aus guter Hirnleiter herstellen lässt.
Danke für das Interview.
Gadermaier: Gerne. Vielen Dank für die Einladung.
