Clare Grey im Büro Foto: Alice Whitby

Clare Grey (2021): Neue Batterien für mehr Klimaschutz

Der mit einer Million Euro dotierte Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft 2021 geht an Clare Grey. Die britische Chemikerin leistete Pionierarbeit bei der Optimierung von Batterien mit Hilfe der NMR-Spektroskopie.

Clare Grey sieht ihre Forschungsarbeiten als wichtigen Beitrag, um das von der Europäischen Union erklärte Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen. Grey leistete Pionierarbeit bei der Optimierung von Batterien mit Hilfe der NMR-Spektroskopie. Diese Methode ermöglicht nicht-invasive Einblicke in das Innenleben von Batterien – und ähnelt der Kernspin-Tomographie, mit der Ärzte Patienten „durchleuchten“. Ihre NMR-Untersuchungen halfen, die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus, die etwa Handys, Notebooks oder E-Fahrzeuge mit Strom versorgen, deutlich zu steigern. Weiterhin war sie maßgeblich an der Entwicklung neuartiger Batterietypen beteiligt – darunter Lithium-Luft-Akkus, die eine zehnfach erhöhte Energiedichte aufweisen oder Batterien, die sehr schnell aufladen und besonders betriebssicher sind. Zudem forscht Grey an kostengünstigen und langlebigen Speichersystemen für Strom aus regenerativen Quellen.

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Körber-Preisträgerin Clare Grey im Gespräch mit Ranga Yogeshwar (2021) Quelle: YouTube/Körber-Stiftung

Pionierarbeit für die Optimierung von Batterien

Text: Claus-Peter Sesín
Fotos: Alice Whitby

Die britische Chemikerin Clare Grey leistete Pionierarbeit bei der Optimierung von Batterien mit Hilfe der NMR-Spektroskopie. Diese Technologie ermöglicht nichtinvasive Einblicke in das Innenleben von Batterien – und ähnelt der Kernspintomographie, mit der Ärzte Patienten „durchleuchten“. Greys NMR-Untersuchungen halfen, die Leistung von Lithium-Ionen-Akkus, die etwa Handys oder E-Autos mit Strom versorgen, deutlich zu steigern. Weiterhin war sie maßgeblich an der Entwicklung neuartiger Batterietypenbeteiligt – darunter Lithium-Luft-Akkus, die eine zehnfach erhöhte Energiedichte aufweisen, und andere, die sehr schnell aufladen und besonders betriebssicher sind. Zudem forscht Grey an kostengünstigen und langlebigen Speichersystemen für Strom aus regenerativen Quellen. Die Britin sieht ihre Grundlagenforschung als wichtigen Beitrag, um das von der Europäischen Union erklärte Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen.

Die ersten Handys erinnerten vom Volumen und Gewicht her an Ziegelsteine. Wirklich handlich wurden sie erst mit dem Anfang der 1990er Jahre eingeführten Lithium-Ionen-Akkus. Dieser trotz hoher Leistung relativ leichte Batterie-Typ wurde ursprünglich für die ersten tragbaren Video-Kameras entwickelt, die mit den zuvor üblichen Nickel-Cadmium-Akkus zu stark auf die Schulter gedrückt hätten. Kaum einer der damaligen Ingenieure indes hatte geahnt, mit den Lithium-Ionen-Akkus das Tor für künftige tragbare und internetfähige Kommunikationsgeräte aufzustoßen, geschweige denn zur heutigen Ära der Elektromobilität.

„Seit 1991 gab es bei den Lithium-Ionen-Akkus deutliche Fortschritte. Ihre Energiedichte hat sich seitdem verdreifacht. Das heißt ihr Gewicht hat sich bei gleichem elektrischem Speichervermögen gedrittelt. Zudem sind die Preise um 90 Prozent gefallen.“

Clare Grey

Zu dieser Entwicklung hat die britische Chemikerin entscheidend beigetragen. Grey ist Pionierin bei Untersuchungen von Festkörpern mit Hilfe der NMR-Spektroskopie. Dabei werden Resonanzen von Atomkernen genutzt, um neuartige Einblicke in Materialien wie Batterien zu gewinnen. Mit Hilfe der NMR-Technologie konnte Grey die elektrochemischen Vorgänge beim Laden und Entladen von Akkus im laufenden Betrieb untersuchen und die Bewegung der Lithium-Ionen in und zwischen den unterschiedlichen Batteriematerialien verfolgen.

  • NMR-Spektrometer im Labor von Clare Grey. Der darin enthaltene Elektromagnet erzeugt ein Magnetfeld, das etwa 260.000-mal so stark ist wie das der Erde. Im Innern dieses Spektrometers kann Greys Team unter anderem Mini-Versionen neuartiger Lithium-Akkus in laufendem Betrieb testen.
    NMR-Spektrometer im Labor von Clare Grey. Der darin enthaltene Elektromagnet erzeugt ein Magnetfeld, das etwa 260.000-mal so stark ist wie das der Erde. Im Innern dieses Spektrometers kann Greys Team unter anderem Mini-Versionen neuartiger Lithium-Akkus in laufendem Betrieb testen.
  • Symbolbild eines neuartigen Redox-Fluss-Akkus. Dieser auch als Flüssigkeitsbatterie bekannte Akku-Typ speichert elektrische Energie in zwei externen Chemikalien-Tanks. Auch Redox-Fluss-Akkus können mit Hilfe der NMR-Technologie optimiert werden.
    Symbolbild eines neuartigen Redox-Fluss-Akkus. Dieser auch als Flüssigkeitsbatterie bekannte Akku-Typ speichert elektrische Energie in zwei externen Chemikalien-Tanks. Auch Redox-Fluss-Akkus können mit Hilfe der NMR-Technologie optimiert werden.

Kernschwingungen verraten Molekül-Strukturen

Eine besonders leistungsfähige Alternative dazu ist die NMR-Spektroskopie. Das Kürzel NMR steht für nuclear magnetic resonance – zu Deutsch: Kernspinresonanz. 1946 untersuchten die Physiker Felix Bloch und Edward Mills Purcell erstmals solche Schwingungen von Atomkernen. Sie setzten Ethanol-Moleküle einem starken statischen Magnetfeld aus. Dieses Feld zwingt bestimmte Atomkerne, die ein magnetisches Moment aufweisen – dazu zählen im Ethanol enthaltene Wasserstoff-Atomkerne –, sich entsprechend den magnetischen Feldlinien auszurichten, ähnlich wie Kompassnadeln im Erdmagnetfeld. Zusätzlich strahlten die beiden Physiker mit Hilfe einer Spule Radiowellen ein. Dabei stellten sie fest, dass die Wasserstoff-Atomkerne bei bestimmten Radiofrequenzen zu schwingen begannen. Sie führten – ähnlich einem torkelnden Spielzeugkreisel – mit ihren Spitzen eine kreisförmige Präzessionsbewegung aus. Bloch und Purcell machten beim Ethanol drei Resonanzen ausfindig, die bei unterschiedlichen Frequenzen auftraten. Sie konnten nun ein NMR-„Spektrogramm“ zeichnen. Ethanol zeigt darin drei unterschiedlich hohe Schwingungs-Spitzen, weil der im Molekül enthaltene Wasserstoff in drei unterschiedlich starken Bindungen vorliegt (Abb.). NMR erlaubte somit auch Rückschlüsse auf die Struktur des Ethanol-Moleküls. Später nutzten Mediziner die NMR-Technologie abgewandelt in Kernspintomographen, bei denen Computer die Resonanzdaten zu Schnittbildern des menschlichen Körpers zusammensetzen.

Abbildung: Frühe NMR-Untersuchung von Ethanol. Die drei Spitzen im Spektrogramm rühren daher, dass die Wasserstoff-Atome im Ethanol-Molekül unterschiedlich stark gebunden sind. Das Spektrogramm erlaubt Forschenden somit Rückschlüsse auf die innere Struktur der Proben.
Abbildung: Frühe NMR-Untersuchung von Ethanol. Die drei Spitzen im Spektrogramm rühren daher, dass die Wasserstoff-Atome im Ethanol-Molekül unterschiedlich stark gebunden sind. Das Spektrogramm erlaubt Forschenden somit Rückschlüsse auf die innere Struktur der Proben.

NMR funktioniert am einfachsten mit flüssigen Proben, in denen sich die Moleküle sehr schnell bewegen, was Wechselwirkungen zwischen ihnen wegmittelt. Grey hingegen untersuchte – als eine der Ersten ihrer Zunft – mit NMR auch Festkörper wie Metalle. In ihrer Zeit in den USA lernte sie Forscher der Firma Duracell kennen, die sie inspirierten, mit NMR-Technik Materialien in Batterien zu studieren. „Die zuvor üblichen Untersuchungen mit Röntgenstrahlen lieferten nur ein durchschnittliches Bild“, sagt Grey. „Mit Hilfe von NMR konnte ich nun auch die feinen Details in diesen oft unstrukturierten Materialien aufspüren.“ Anfangs untersuchte sie einzelne Inhaltsstoffe, indem sie die Batterien in einem bestimmten Stadium ihres Lade- und Lebenszyklus öffnete. Ziel war unter anderem herauszufinden, welche chemischen Prozesse die Batterien altern lassen und wie sich deren Lebensdauer und Kapazität erhöhen lässt. Später verbesserte Grey die NMR-Technologie so, dass sie damit die Zellen auch im laufenden Betrieb zerstörungsfrei untersuchen konnte – in sogenannten In-situ-Experimenten. Diese halfen, auch kurzlebige Substanzen aufzuspüren und die Studien enorm zu beschleunigen.

Grey is a pioneer in using NMR spectroscopy to conduct research on solids. In the process, the resonance of atomic nuclei is used to achieve novel views inside materials such as batteries.

Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus besteht die Anode (Minuspol) meist aus Graphit und die Kathode (Pluspol) aus einem Metalloxid, in dem außer Lithium noch andere Metalle wie Kobalt, Nickel und/oder Mangan enthalten sind. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich eine organische Elektrolyt-Lösung, meist Ethylenkarbonat. Beim Entladen des Akkus wandern positiv geladene Lithium-Ionen aus der Graphit-Anode zur Kathode und lagern sich im dortigen Metalloxid ein. Gleichzeitig fließt über die äußeren Anschlüsse ein elektrischer Strom (freie Elektronen), der beispielsweise einen Elektromotor antreibt. Beim anschließenden Aufladen des Akkus läuft es umgekehrt: Die Lithium-Ionen fließen zurück zur Anode und lagern sich im dortigen Graphit ein. Diese Lade-/Entlade-Zyklen lassen sich idealerweise Tausende Male wiederholen.

  • Ein Doktorand aus Greys Team bereitet die Elektrode einer gebrauchten Lithium-Batterie für eine NMR-Untersuchung vor. Die Batterie wurde in einem bestimmten Zustand ihres Lebenszyklus in Einzelteile zerlegt, um Ursachen für Defekte oder vorzeitigen Verschleiß herauszufinden.
    Ein Doktorand aus Greys Team bereitet die Elektrode einer gebrauchten Lithium-Batterie für eine NMR-Untersuchung vor. Die Batterie wurde in einem bestimmten Zustand ihres Lebenszyklus in Einzelteile zerlegt, um Ursachen für Defekte oder vorzeitigen Verschleiß herauszufinden.

Akkus für E-Autos mit hoher Reichweite

2015 hat Grey einen neuartigen Lithium-Luft-Akku vorgestellt – mit einer Anode aus metallischem Lithium und einer Kathode aus porösem Kohlenstoff. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff aus der Luft in Lithiumperoxid oder Lithiumhydroxid umwandeln. Der Clou an den neuen Lithium-Luft-Akkus ist ihre bis zu zehnmal höhere Energiedichte. Sie speichern bei gleichem Gewicht bis zu zehnmal mehr elektrische Energie, was E-Autos zu einer ähnlichen Reichweite verhelfen könnte wie Benzinautos. Bislang altern Lithium-Luft-Akkus allerdings noch zu schnell, sie überstehen nur wenige Ladezyklen. Grey arbeitet auch an der Entwicklung anderer Akku-Typen mit hohen Energiedichten.

„Elektrochemische Zellen sind komplexe Systeme, in denen eine Vielzahl von Komponenten in faszinierender Weise interagieren. Wir können die Technologie nur voranbringen, wenn wir sehr genau und in jedem Detail verstehen, wie diese Materialien arbeiten und funktionieren.“

Clare Grey

Zwar könnten E-Autos – theoretisch – schon mit den heutigen Lithium-Ionen-Akkus so weit kommen wie ein Benzinauto mit einer Tankfüllung. Allerdings müssten dazu so viele Akkus eingebaut werden, dass ein Großteil des Innenraums damit gefüllt wäre. Zudem würden die E-Autos dadurch so schwer, dass sie bei jedem Anfahren, etwa nach roten Ampeln, enorm viel Energie verbrauchen würden, um diese große Masse zu beschleunigen. Im Stadtverkehr würde die Reichweite infolgedessen wieder deutlich sinken. Als Kompromiss verbauen die E-Auto-Hersteller weniger Lithium-Ionen-Batterien, wodurch die E-Autos relativ leicht und geräumig bleiben, aber mit einer Akkuladung eben auch nur typischerweise 150 bis 400 Kilometer weit kommen. Neue Akku-Typen mit hoher Energiedichte hin-gegen könnten E-Autos „Benziner-Reichweite“ ermöglichen, ohne ihnen zusätzliches Akku-Gewicht aufzubürden.

Batterie-Tests wie im Kernspintomographen

Zu den wichtigsten Werkzeugen des Teams zählen NMR-Spektrometer. Die Geräte funktionieren ähnlich wie die Kernspintomographen in der Medizin, sind aber kleiner, und der Elektromagnet, der das starke statische Magnetfeld erzeugt, steht bei ihnen aufrecht. Die Experimente werden in einem Messkopf oder einer Plattform innerhalb dieses Elektromagneten durchgeführt. Dort befindet sich –waagerecht ausgerichtet – eine kleine Kupfer- oder Silberspule, die Radiosignale zum Anregen der Proben erzeugt. Die Proben selbst – darunter Mini-Batterien – werden in kleinen, schnell rotierenden Glasröhrchen in diese Spule eingeschoben.

Um das extrem starke Magnetfeld mit einer Stärke von 10 bis 20 Tesla (bis zum 300.000-fachen des Erdmagnetfelds) erzeugen zu können, ist der Elektromagnet des NMR-Spektrometers mit supraleitenden Spulen bestückt, die mit flüssigem Helium auf Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273,15 Grad Celsius) gekühlt werden müssen. Die NMR-Spektrometer befinden sich in einem Sicherheitsbereich des Labors, weil metallische Teile im Umfeld mit so hoher Geschwindigkeit vom Magnetfeld angezogen würden, dass dazwischenstehende Personen ernsthaft verletzt und die Magneten zerstört werden könnten.

Ein Doktorand setzt in einer Glove-Box, die mit dem Edelgas Argon gefüllt ist, Test-Batterien zusammen. Die Argon-Schutzatmosphäre ist erforderlich, weil viele Batteriekomponenten mit Sauerstoff, Kohlendioxid, Feuchtigkeit und anderen Bestandteilen der Raumluft reagieren würden.
Ein Doktorand setzt in einer Glove-Box, die mit dem Edelgas Argon gefüllt ist, Test-Batterien zusammen. Die Argon-Schutzatmosphäre ist erforderlich, weil viele Batteriekomponenten mit Sauerstoff, Kohlendioxid, Feuchtigkeit und anderen Bestandteilen der Raumluft reagieren würden.

Radionachrichten aus den Atomkernen

Um die Atomkerne in den Proben bei ihren jeweils typischen Resonanzfrequenzen – die auch von der jeweiligen chemischen Bindung und von benachbarten Atomkernen abhängen – zum Schwingen zu bringen, legen die Forschenden kurzzeitig eine hochfrequente Wechselspannung an die Spule an. Diese Spannung erzeugt eine pulsförmige Radiowelle, die sich entlang der Spulenmitte ausbreitet und senkrecht zum starken statischen Magnetfeld ausgerichtet ist. Der Radiopuls regt Atomkerne in einem breiten Frequenzbereich zum Schwingen an. Sobald der Puls ausklingt, richten sich die rotierenden Atomkerne wieder entlang des statischen Magnetfeldes des Elektromagneten aus. Bei diesem „Rücksturz“ senden sie selber sehr schwache Radiowellen aus, die von der Kupferspule, die nun wie ein Radioempfänger arbeitet, registriert und anschließend mit Computern ausgewertet werden. Die auf diese Weise erzeugten Spektrogramme erlauben Rückschlüsse auf lokale Strukturen und elektronische Eigenschaften der Proben. Sogar Schnittbilder lassen sich erzeugen, ähnlich denen eines medizinischen Kernspintomographen.

Die NMR-Untersuchungsmethode funktioniert nur bei Atomkernen, die – wie Wasserstoffkerne – ein magnetisches Moment aufweisen, also selber winzigen Kompassnadeln ähneln. Voraussetzung dafür ist, dass entweder die Zahl der Protonen im Kern oder die Zahl der Neutronen (oder beide) ungeradzahlig sind. Etwa 40 Prozent aller natürlich vorkommenden chemischen Elemente erfüllen diese Bedingung. Dazu zählt das Alkalimetall Lithium, nicht aber beispielsweise die natürlich am häufigsten vorkommenden Formen von Kohlenstoff oder Sauerstoff: Der Kern des gewöhnlichen Kohlenstoffatoms (Ordnungszahl 12) besteht aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Der Kern des gewöhnlichen Sauerstoffatoms (Ordnungszahl 16) enthält acht Protonen und acht Neutronen.

  • Testapparatur für Lithium-Luft-Batterien und anderen Lithium-Batterie-Typen
    Testapparatur für Lithium-Luft-Batterien und anderen Lithium-Batterie-Typen
  • Mit diesem Analyse-System untersucht das Team Gase, die getestete Batterien im laufenden Betrieb aufnehmen oder freisetzen.
    Mit diesem Analyse-System untersucht das Team Gase, die getestete Batterien im laufenden Betrieb aufnehmen oder freisetzen.
  • Lithium-Batterien werden hier auf ihre Leistungsfähigkeit und alterungsbedingten Verschleiß getestet.
    Lithium-Batterien werden hier auf ihre Leistungsfähigkeit und alterungsbedingten Verschleiß getestet.

Als Abhilfe kann das Team von Grey andere natürlich vorkommende (aber seltenere) Isotope wie Kohlenstoff-13 oder Sauerstoff-17 verwenden, deren Kerne jeweils ein zusätzliches Neutron beherbergen. Enthalten die untersuchten Proben solche Isotope, werden (in diesem Beispiel) auch Kohlenstoff oder Sauerstoff im NMR-Spektrogramm sichtbar. Auf die chemischen Eigenschaften der Moleküle (und damit der Batterien), die fast ausschließlich von Bindungen in den äußeren Elektronenhüllen der Atomkerne bestimmt werden, hat der Einbau von Isotopen praktisch keinen Einfluss.

In den NMR-Spektrometern untersucht das Team beispielsweise Ausgangsmaterialien für neue Elektrodentypen, aber auch millimeterkleine Testbatterien, deren innere Vorgänge damit im laufenden Betrieb – in Echtzeit – inspiziert werden können. Solche In-situ-Untersuchungen bringen enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Testverfahren: „Viele der chemischen Stoffe, die beim Auf- oder Entladen in den Akkus entstehen, sind nur sehr kurzlebig, aber an den Alterungsprozessen maßgeblich beteiligt“, erklärt Grey. „Werden die Batterien umständlich zerlegt, sind viele dieser Stoffe längst zerfallen.“

Zu den größten Sorgenkindern der Batterieforscher zählen sogenannte Dendriten. Das sind winzige tannenbaum-ähnliche Strukturen aus metallischem Lithium, die aus der Graphit-Anode von Lithium-Akkus wachsen können. Dendriten bilden sich vor allem dann, wenn die Akkus zu schnell aufgeladen werden, weil dann die Lithium-Ionen nicht mehr geordnet in der Graphit-Anode eingelagert werden können. Stattdessen scheidet sich an der Anoden-Oberfläche eine Metallschicht ab.

Im schlimmsten Fall überbrücken diese Metallbäumchen den Elektrolyten und wachsen bis zur Kathode, was dann zu einem Kurzschluss und zu Bränden führt. Ein großer Handyhersteller musste 2016 sein neuestes Modell aus Sicherheitsgründen vom Markt nehmen. Das Problem ist, dass die Anwender sehr kurze Ladezeiten verlangen – das gilt erst recht für E-Autos –, bei zu schneller Aufladung jedoch grundsätzlich die Gefahr von Dendritenbildung steigt. „Mit der NMR-Technologie konnten wir den Dendriten erstmals beim Wachsen zusehen“, sagt Grey. Oft brechen solche Lithium-Bäumchen auch einfach nur von der Anode ab. Dann schwimmt „totes Lithium“ im Elektrolyten – mit der Folge, dass die Speicherkapazität der Akkus alterungsbedingt sinkt.

Ein Doktorand montiert Batterie-Testmuster in einer Argon-Schutzatmosphäre.
Ein Doktorand montiert Batterie-Testmuster in einer Argon-Schutzatmosphäre.

Umweltschonende Hochleistungs-Akkus

Grey ist vor allem daran interessiert, die Energiedichten der Akkus zu erhöhen, deren Ladezeiten (ohne Brandgefahr) zu verkürzen, die Herstellungskosten zu senken (aktuell sind E-Autos wegen der teuren Akkus noch recht kostspielig) und möglichst umweltschonende Ausgangsmaterialien zu verwenden. Um Letzteres umzusetzen, forscht Grey auch an Akkus der kommenden „Beyond Lithium“-Ära, die statt Lithium umweltfreundlichere Metalle wie Natrium enthalten. Natrium-Batterien sind jedoch schwerer als Lithium-Batterien – Lithium ist das leichteste aller Metalle – und eignen sich daher eher als kostengünstige stationäre Zwischenspeicher für Wind- oder Solarstrom. Auch das Erdalkalimetall Magnesium kann Lithium in den Akkus ersetzen.

Vielversprechend sind auch neue Akku-Varianten, deren Anoden statt Graphit das Halbmetall Silizium enthalten. Silizium gibt es buchstäblich wie Sand am Meer, es ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf unserem Planeten. „Silizium ist eine extrem wichtige Alternative zum bislang kommerziell genutzten Graphit, weil es beim Aufladen bis zu zehnmal mehr elektrische Energie speichern kann“, erklärt Grey. Leider hat es die unangenehme Eigenschaft, sich dabei um bis auf das Dreifache auszudehnen. Das ist nach herrschender Lehrmeinung der Grund für die bislang schwache Performance von Akkus mit Silizium-Anoden. Grey konnte jedoch mit Hilfe von NMR- und Röntgenuntersuchungen nachweisen, dass der entscheidende Faktor nicht die Volumenausdehnung ist, sondern es chemische Reaktionen des teils zerbröselnden Siliziums mit dem Elektrolyten sind. Dies führt zu schnell nachlassender Batterieleistung.

„Silizium ist eine extrem wichtige Alternative zum bislang kommerziell genutzten Graphit, weil es beim Aufladen bis zu zehn Mal mehr elektrische Energie speichern kann.“

Clare Grey

Kurzschlüsse können Brände auslösen

Auch an Verbesserungen des Elektrolyten arbeitet Grey: „Der ideale Elektrolyt leitet die Ionen sehr gut, ist chemisch stabil, kostengünstig und ungiftig.“ Wie wichtig Elektrolyte für die Funktion eines Akkus sind, erkennt man daran, dass deren genaue Zusammensetzung zu den am besten gehüteten Geheimnissen der Batteriehersteller zählt. In Lithium-Ionen-Akkus werden meist organische Salzlösungen als Elektrolyt verwendet. Erhebliche Gefahren drohen bei einem Kurzschluss des Akkus: „Dann kann sich der Elektrolyt schnell auf Temperaturen von über 250 Grad Celsius erhitzen, was ebenfalls zu Bränden oder sogar Explosionen führen kann“, sagt Grey. Um die Sicherheit der Akkus zu erhöhen, versucht ihr Team, die bislang flüssigen Elektrolyten durch solche aus festem Polymer- oder Keramikmaterial zu ersetzen. Ein Kurzschluss herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus kann in E-Autos beispielsweise bei Unfällen auftreten.

In einem weiteren Projekt arbeitet Grey an der Optimierung neuartiger Redox-Fluss-Akkus. Dieser auch als Flüssigkeitsbatterie bekannte Akku-Typ speichert elektrische Energie in zwei externen Chemikalien-Tanks. Diese Tanks können im Prinzip beliebig groß sein und lassen sich zur Erhöhung der Speicherkapazität bei Bedarf auch nachträglich erweitern. Die chemischen Reaktionen finden in einer galvanischen Zelle statt, in deren Mitte eine ionendurchlässige Membran die Flüssigkeiten voneinander trennt. Die beiden Flüssigkeiten zirkulieren im System mit Hilfe von Pumpen. Die häufigste Variante dieses Akku-Typs sind Vanadium-Redox-Fluss-Batterien, in deren Elektrolytlösungen Salze des Elements Vanadium gelöst sind. Das Vanadium kann darin unterschiedliche Oxidationsstufen annehmen. Vanadium ist ein relativ häufig vorkommendes Element, allerdings auch giftig.

Warnhinweise auf der Tür des NMR-Labors: Im starken Magnetfeld des NMR-Spektrometers können Herzschrittmacher ihre Funktion einstellen. Auch der Zugang mit künstlichen Gelenken ist verboten. Besonders gefährlich sind vom Magneten angezogene Metallgegenstände, die Personen verletzen und den Magneten zerstören können. Kreditkarten können ihre magnetisch gespeicherten Informationen verlieren.
Warnhinweise auf der Tür des NMR-Labors: Im starken Magnetfeld des NMR-Spektrometers können Herzschrittmacher ihre Funktion einstellen. Auch der Zugang mit künstlichen Gelenken ist verboten. Besonders gefährlich sind vom Magneten angezogene Metallgegenstände, die Personen verletzen und den Magneten zerstören können. Kreditkarten können ihre magnetisch gespeicherten Informationen verlieren.

Wegen ihrer Ausmaße und der relativ geringen Energiedichte von Vanadium eignen sich Redox-Fluss-Batterien vor allem als stationäre und langzeitstabile Energiespeicher – etwa für Wind- oder Solarstrom. „Solche großtechnischen Energiespeicher sind dringend erforderlich“, sagt Grey, „um bei den erneuerbaren Energien die Unterschiede in Angebot und Nachfrage auszugleichen.“ Mittels NMR-Studien ist es ihrem Team bereits gelungen, die Vorgänge in den Elektrolyten solcher Flüssigkeitsbatterien „live“ zu verfolgen und in Bildern (MRI) festzuhalten. Grey forscht zudem an kostengünstigen organischen Elektrolyten, die ohne das giftige Vanadium auskommen.

Mit den Mitteln des Körber-Preises will Grey die NMR-Spektroskopie künftig noch weiter verfeinern. Dazu dient unter anderem DNP-Technologie, bei der NMR-Proben zusätzlich mit energiereichen Mikrowellen bestrahlt werden. DNP (das Kürzel steht für Dynamic Nuclear Polarization, deutsch: Dynamische Kernspinpolarisation) basiert auf der Übertragung bestimmter quantenmechanischer Eigenschaften von Elektronen (Spinpolarisation) auf die Atomkerne. „Einfacher ausgedrückt können Elektronen ähnlich wie Atomkerne – und in denselben Spulen – angeregt werden“, erklärt Grey. „Mit DNP steigt die Messempfindlichkeit von NMR-Spektrometern um bis auf das Tausendfache.“

„Zu meinen wichtigsten Zielen zählt, Studierenden, die Öffentlichkeit und politische Entscheidungsträger davon zu überzeugen, dass die Technologien zum Erreichen der Zero-Carbon-Klimaziele bis 2050 nur dann rechtzeitig bereitstehen, wenn mit der Grundlagenforschung bereits jetzt begonnen wird – morgen ist es zu spät.“

Clare Grey

Schneller Weg zu praktischen Anwendungen

Grey arbeitet jedoch nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern ist auch an einer schnellen praktischen Anwendung neuer Batterietechnologien interessiert. Dazu hat sie sich bereits an mehreren Firmen beteiligt: Die 2019 gegründete Firma Nyobolt entwickelt neuartige Akkus mit einer Elektrode, die ein in Greys Labor konzipiertes Niobat enthält. Diese Akkus lassen sich ohne Brandgefahr in wenigen Minuten aufladen und haben eine deutlich höhere Lebensdauer und Energiedichte als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Die deutsche Firma NMR Service GmbH, in der Grey ebenfalls mitarbeitet, liefert von der Preisträgerin entwickelte NMR-Messtechnik an Forschungs- und Industrielabors in aller Welt: „Zu meinen wichtigsten Zielen zählt, Studierende, die Öffentlichkeit und politische Entscheidungsträger davon zu überzeugen, dass die Technologien zum Erreichen der Zero-Carbon-Klimaziele bis 2050 nur dann rechtzeitig bereitstehen, wenn mit der Grundlagenforschung bereits jetzt begonnen wird – morgen ist es zu spät.“

Die Körber-Preisträgerin 2021

Clare Grey wurde 1965 in der Stadt Middlesbrough im Nordosten Englands geboren. Als sie zwei Jahre alt war, zog sie mit ihren Eltern in die Niederlande. Ihr Vater, ein Chemiker, trat dort eine Stelle beim Chemiekonzern ICI an. Ihre Mutter ist promovierte Theologin.

„Als Siebenjährige konnte ich fließend Holländisch sprechen“, sagt Grey. „Heute spreche ich die Sprache leider schlechter als damals.“ 1972 zogen ihre Eltern berufsbedingt nach Belgien um, wo die Preisträgerin eine britische Schule besuchte. 1979, als sie 14 war, zogen ihre Eltern nach England zurück, wo sie regulär zur Schule ging.

Anschließend studierte Clare Grey Chemie an der britischen Oxford University. Bereits im Alter von 22 Jahren veröffentlichte sie ihren ersten Fachartikel im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature. Schon als Undergraduate-Studentin hatte sich Grey mit NMR-Spektroskopie befasst und damit Metalle wie Zinn untersucht.

Nach ihrer Promotion im Jahr 1991 ging sie an die Radboud-Universität im niederländischen Nijmegen: „Ich freute mich, dort mein Holländisch wieder auffrischen zu können.“ In den Jahren 1992/93 war Grey als Gastwissenschaftlerin beim US-Chemiekonzern Dupont tätig. 1994 lehrte sie als Assistant Professor an der State University of New York at Stony Brook, wo sie 2001 eine volle Professur erhielt. 2009 wurde sie Geoffrey-Moorhouse-Gibson-Professorin an der britischen University of Cambridge. Seit 2011 ist sie zudem Fellow der Royal Society und zurzeit Royal-Society-Professorin. 2019 war sie Mitgründerin der Firma Nyobolt, die besonders schnell ladende und betriebssichere Akkus herstellt.

Als Kind wäre Clare Grey am liebsten Ärztin geworden. Der Vater schenkte ihr einen Chemie-Baukasten, „doch die Experimente mit Flammen und sprühenden Funken inspirierten mich nicht sonderlich. Heute weiß ich auch warum. Mir fehlte der Aspekt, mit den Experimenten etwas Neues herauszufinden.“ Später als renommierte Forscherin genoss sie es, „in völlig neuen Themenbereichen zu arbeiten und Fragen stellen zu können, die zuvor noch niemand gestellt hatte“. In ihrer Freizeit spielt Grey Cello, unter anderem Brahms, und singt. Sie ist eine begeisterte Wanderin und betreibt als weitere Sportarten Squash und Ski-Langlauf.

Die „Dining Hall“ im Pembroke College dient Studierenden und Fellows als Mensa und wird auch für Festessen verwendet.
Die „Dining Hall“ im Pembroke College dient Studierenden und Fellows als Mensa und wird auch für Festessen verwendet.

Interview mit Tatjana König, Vorständin der Körber-Stiftung

Tatjana König über den Körber-Preis

„Clare Grey leistet mit ihrer anwendungsorientierten Grundlagenforschung einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung leistungsfähiger Speichermedien. Nur wenn wir hier Erfolg haben, wird uns die Mobilitätswende gelingen und die Erreichung unserer Klimaziele bis 2050 überhaupt realistisch sein.“

Tatjana König

Vorständin der Körber-Stiftung

Sind Wissenschaftspreise noch zeitgemäß?

Die Coronakrise hat die Bedeutung von Wissenschaft eindrücklich untermauert, aber immer noch ist es keine Selbstverständlichkeit, auf die Stimme wissenschaftlicher Vernunft zu hören und ihr zu vertrauen. Umso wichtiger ist es, ihren Leistungen Aufmerksamkeit zu verschaffen und auch zu zeigen, dass und wie sie uns bei der Bewältigung großer gesellschaftlicher Herausforderungen hilft.

Und das gilt auch für die diesjährige Preisträgerin?

Unbedingt! In den letzten achtzehn Monaten hat die Wissenschaft fantastische Fortschritte in der Bekämpfung der Pandemie erzielt, aber darüber haben wir fast verdrängt, dass es noch einige andere zentrale Herausforderungen für uns gibt, die in ihren Auswirkungen vermutlich langfristiger und auch bedrohlicher sein dürften, an erster Stelle die Klimakrise. Clare Grey leistet mit ihrer anwendungsorientierten Grundlagenforschung einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung leistungsfähiger Speichermedien. Nur wenn wir hier Erfolg haben, wird uns die Mobilitätswende gelingen und die Erreichung unserer Klimaziele bis 2050 überhaupt realistisch sein.

Ausgerechnet im Jahr des Brexits kommt die Preisträgerin aus England – steckt dahinter Absicht?

Nein, denn unsere Gremien orientieren sich strikt an wissenschaftlicher Exzellenz, aber eine List der Vernunft könnte man es doch nennen. Alle wesentlichen Krisen sind inzwischen global, und wir werden sie auch nur in gemeinsamen Anstrengungen bewältigen können. Einem wissenschaftlich starken und geeinten Europa kommt hier eine Schlüsselrolle zu. Jenseits politischer Entscheidungen halten wir für den Körber-Preis deshalb auch daran fest, dass Großbritannien, zumindest was die Wissenschaft anbelangt, weiterhin zur europäischen Familie gehört.

Persönlich freue ich mich über die Auszeichnung Clare Greys übrigens auch deshalb, weil wir uns in der Körber-Stiftung vorgenommen haben, der Diversität von und in der Wissenschaft stärkere Aufmerksamkeit zu geben – und Spitzenforscherinnen stehen immer noch weit seltener im Rampenlicht als ihre männlichen Kollegen. Umso schöner ist es, mit ihr so ein großartiges role model zu haben!

Preisverleihung 2021

Fotos von der Verleihung des Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft 2021 an Clare Grey im Hamburger Rathaus am 10. September 2021.

Die Fotos können im Zusammenhang mit einer Berichterstattung über den Körber-Preis mit dem angegebenen Fotocredit honorarfrei veröffentlicht werden.

  • Der erste Bürgermeister der Freie und Hansestadt Hamburg Dr. Peter Tschentscher begrüßte die Gäste zur Verleihung des Körber-Preises 2021.
    Der erste Bürgermeister der Freie und Hansestadt Hamburg Dr. Peter Tschentscher begrüßte die Gäste zur Verleihung des Körber-Preises 2021.
  • Dr. Lothar Dittmer, Vorsitzender des Vorstands der Körber-Stiftung, verwies in seiner Rede auf die Ursprungsidee des Körber-Preises: Die feste Überzeugung Kurt A. Körbers, dass Wissenschaft und Forschung einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Lebensverhältnisse auf unserem Planeten leisten müssen.
    Dr. Lothar Dittmer, Vorsitzender des Vorstands der Körber-Stiftung, verwies in seiner Rede auf die Ursprungsidee des Körber-Preises: Die feste Überzeugung Kurt A. Körbers, dass Wissenschaft und Forschung einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Lebensverhältnisse auf unserem Planeten leisten müssen.
  • Die Stipendiatinnen der Deutschen Stiftung Musikleben, Annabel Hauk und Anna Olivia Amaya Farias, sorgten für den musikalischen Rahmen.
    Die Stipendiatinnen der Deutschen Stiftung Musikleben, Annabel Hauk und Anna Olivia Amaya Farias, sorgten für den musikalischen Rahmen.
  • Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Prof. Dr. Clare Grey.
    Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Prof. Dr. Clare Grey.
  • Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Prof. Dr. Clare Grey.
    Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Prof. Dr. Clare Grey.
  • Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Tatjana König und Prof. Dr. Martin Stratmann.
    Ranga Yogeshwar im Gespräch mit Tatjana König und Prof. Dr. Martin Stratmann.
  • Die Preisverleihung fand auch im Jahr 2021 mit coronakonformer Bestuhlung und reduzierter Personalzahl statt.
    Die Preisverleihung fand auch im Jahr 2021 mit coronakonformer Bestuhlung und reduzierter Personalzahl statt.
  • Von links: Prof. Dr. Martin Stratmann, Tatjana König, Dr. Peter Tschentscher, Prof. Dr. Clare Grey, Dr. Lothar Dittmer
    Von links: Prof. Dr. Martin Stratmann, Tatjana König, Dr. Peter Tschentscher, Prof. Dr. Clare Grey, Dr. Lothar Dittmer
  • Von links: Dr. Lothar Dittmer, Prof. Dr. Clare Grey, Prof. Dr. Martin Stratmann auf der Bühne
    Von links: Dr. Lothar Dittmer, Prof. Dr. Clare Grey, Prof. Dr. Martin Stratmann auf der Bühne

Neue Batterien für mehr Klimaschutz

Erfahren Sie mehr über Clare Grey und die bahnbrechende Forschung, für die sie den Körber-Preis 2021 gewonnen hat.

Neue Batterien für mehr Klimaschutz
Erfahren Sie mehr über Clare Grey und die bahnbrechende Forschung, für die sie den Körber-Preis 2021 gewonnen hat.
Vita Clare Grey
Pressemitteilung 2021

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