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Porträt des PSI-Doktoranden Patrick Lanz

Vom Feuerwerkbastler zum Batterieforscher

Bereits in seiner Schulzeit entdeckte Patrick Lanz seine Faszination für die Welt der Wissenschaft und Technik. Als Elektrotechniker hatte sein Vater zu Hause ein gutes Sortiment an Elektronik-Baukästen. Der junge Patrick begnügte sich aber nicht damit, mit ferngesteuerten Autos zu spielen, sondern zerlegte sein Spielzeug systematisch auf der Suche nach Erklärungen für dessen Funktionsweise. Später begann Lanz auch, kleine Batterien aufzumachen, weil er verstehen wollte, "was dort drinnen passiert." Es war vielleicht sein erster Schritt zu seiner heutigen Arbeit als Batterieforscher.

Schwarzpulver - hausgemacht

Irgendwann im Gymnasium entdeckte Lanz die Chemie für sich. Er nahm sich vor, sein eigenes Schwarzpulver für selbstgebasteltes Feuerwerk zu mischen und bewies dabei bereits den nötigen Einfallsreichtum, um an die Zutaten für seine explosive Mischung heranzukommen. "Man braucht nur Kohle, Schwefel und Kaliumnitrat, um Schwarzpulver herzustellen", erklärt Lanz. "Die Kohle kaufte ich bei der Migros, dort wird sie normalerweise zum Grillen verkauft, für die Herstellung von Schwarzpulver muss man sie nur noch zermahlen. Schwefel hatte ich in meinem eigenen Chemiekasten zu Hause. Schwieriger war es, sich Kaliumnitrat zu besorgen. Kaliumnitrat bekommt man in jeder Apotheke und jeder Apotheker weiss denn auch, wozu das Zeug gut ist: nämlich zum Schwarzpulvermachen. Und in meinen Bubenaugen konnten die Apothekerinnen meine Absicht sofort ablesen. Erst als mir einfiel, dass Kaliumnitrat auch zum Pökeln von Schinken verwendet wird, hatte ich eine gute Ausrede parat - und ich bekam meine dritte Schwarzpulver-Zutat."

Kein Wunder also, dass sich Lanz nach der Matur zum Studium der Chemie entschloss. Er schrieb sich an der ETH Zürich ein und stellte bald fest: das war die richtige Entscheidung. Für ein Semesterprojekt wollte Lanz erstmals fremde Luft schnuppern. Er bewarb sich mit Erfolg um einen Austauschplatz am Imperial College London und tauchte dort zum ersten Mal in die Brennstoffzellenforschung ein. Jetzt hatte Lanz plötzlich die beiden Urinteressen aus seiner Kindheit, die Elektrotechnik und die Chemie, unter einen Hut gebracht. "Ich merkte schon damals, dass ich nicht wie die meisten Chemie-Absolventen im Bereich organische Chemie arbeiten wollte. Da werden vor allem in langwierigen Versuchsreihen neue Substanzen synthetisiert, eine durchaus wertvolle Arbeit, aber mir schwebte ein abwechslungsreicheres Forschungsthema vor: die Elektrochemie bot mir das richtige Betätigungsfeld."

Batterieelektroden mit weniger Kobalt

Lanz blieb also der Elektrochemie treu. Am PSI hat er sich sowohl bei seiner Master-Arbeit als auch für seine bald abgeschlossene Dissertation der Batterieforschung gewidmet. Er hat ein neues Material für die Elektroden von Lithiumionen-Batterien untersucht, ein Material das diese Batterien leistungsfähiger und in der Herstellung günstiger machen soll. "In der positiven Elektrode von Lithiumionen-Batterien wird oft das Metall Kobalt eingebaut. Aber Kobalt ist recht teuer und giftig für die Umwelt. Deshalb laufen derzeit viele Forschungsprojekte weltweit mit dem Ziel, Ersatz für Kobalt als Elektrodenmaterial zu finden. Dabei tun sich die Metalle Nickel und Mangan hervor: in Verbindung mit Kobalt können sie sogar zu höheren Speicherkapazitäten pro Kilogramm führen. Kosten und Umweltbedenken werden dabei gleichzeitig reduziert", führt Lanz aus.

Lanz entwickelte eine Technik, um zwei in der Batterieforschung häufig angewandte Mikroskopie-Methoden gleichzeitig und in Echtzeit einsetzen zu können. Es geht um die Infrarot- und die Raman-Spektroskopie. Jede dieser Techniken gibt verschiedene Einblicke in die Struktur des Elektrodenmaterials. Wenn man sie in Echtzeit, anwendet, kann man entsprechende Änderungen der Materialstruktur während des Ladens und Entladens der Batterie mitverfolgen. Diese Änderungen sind ein aufschlussreicher Hinweis darauf, was in der Batterie während der Ladezyklen passiert - und erst wenn man solche Vorgänge verstanden hat, kann man das Elektrodenmaterial gezielt verbessern. "Infrarot- und Ramanspektroskopie ergänzen sich sehr gut", erläutert Lanz. "Man kann mit beiden Methoden die Vibrationen der Atome in einem Material abbilden, aber mit Raman sieht man Vibrationen, die man mit Infrarot nicht sehen kann und umgekehrt. Die Kombination der beiden Techniken ergibt demnach ein vollständigeres Bild des untersuchten Materials." Ausserdem können die Messungen mit der von ihm gebauten Apparatur vollautomatisch und in Echtzeit laufen." Ich habe dafür mit Hilfe der Techniker im Labor für Elektrochemie eine Art Roboter gebaut", sagt Lanz mit sichtlichem Stolz.

Praxisnähe und die Liebe zu Sprachen

An seiner Arbeit am PSI schätzt Lanz vor allem den engen Bezug zur Praxis und den Kontakt zu Forschern aus der Industrie. "Ich habe eng mit +Wissenschaftlern einer grossen Chemiefirma zusammengearbeitet. Es ist eine Bereicherung, zu sehen, wie sie auf jede neue Idee immer mit Blick auf deren praktischen Nutzen reagieren. Für Kreativität gibt es da aber trotzdem immer noch Platz", betont er.

Und als ob ihm die Chemie nicht herausfordernd genug wäre, gönnt sich Lanz in seiner Freizeit eine intellektuelle Verschnaufpause der besonderen Art: "Ich habe mich immer für Sprachen interessiert und lerne seit einigen Semestern Chinesisch", erzählt er begeistert. Ob er da schon ein paar Sätze sprechen könne? "Ja, aber die Lernkurve verläuft bei Chinesisch zunächst nicht allzu steil, dennoch macht das Lernen Spass." Lanz sagt das und man errät sofort seinen nächsten Gedanken. Es liegt darin die Zuversicht: wenn ich beharrlich daran bleibe, knacke ich auch die schwierigste Sprache. Bei der Sprache der Chemie ist ihm jedenfalls schon einiges gelungen.

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva

Weiterführende Informationen

Patrick Lanz verfasst seine Dissertation in der Sektion Elektrochemische Energiespeicherung des Labors für Elektrochemie am Paul Scherrer Institut. Die Sektion befasst sich mit wiederaufladbaren Batterien, insbesondere mit lithiumbasierten Systemen. Ziel der Forschung ist unter anderem die Verbesserung der Energiedichte, der Leistungsdichte und der Lebensdauer und der Batterien durch Optimierung der Batteriematerialien. Dazu werden neuartige Methoden entwickelt, die es ermöglichen, die Batterien in situ, also während der Ladezyklen, zu untersuchen. Ausserdem werden neue Materialien mit vielversprechenden Eigenschaften für die Batterien der Zukunft erforscht.

Quelle: Paul Scherrer Institut PSI, Juni 2014

Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) im Paul Scherrer Institut (PSI)

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