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Kryo-Elektronenmikroskopie in der Batterieforschung

| Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Für die Kryo-Elektronenmikroskopie gibt es dieses Jahr den Nobelpreis für Chemie. Bisher wird das Verfahren etwa in der Medizin eingesetzt. Doch auch die Batterieforschung könnte davon profitieren.

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Der britische Wissenschaftler Richard Henderson wurde zusammen mit Jacques Dubochet und Joachim Frank 2017 für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Obwohl die Technologie speziell für die hochauflösende Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösungen entwicklet wurde, verspricht sie auch Vorteile für die Etnwicklung und Optimierung neuer Batterie-Techniken.
Der britische Wissenschaftler Richard Henderson wurde zusammen mit Jacques Dubochet und Joachim Frank 2017 für die Entwicklung der Kryo-Elektronenmikroskopie mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Obwohl die Technologie speziell für die hochauflösende Strukturbestimmung von Biomolekülen in Lösungen entwicklet wurde, verspricht sie auch Vorteile für die Etnwicklung und Optimierung neuer Batterie-Techniken.
(Bild: dpa - Bildfunk)

Bessere Batterien für Smartphones, Laptops und Elektroautos werden dringend gebraucht. Nun haben Wissenschaftler für die Batterieforschung eine Technologie eingesetzt, die in diesem Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wird: die Kryo-Elektronenmikroskopie. Auf diese Weise untersuchten Yi Cui von der kalifornischen Stanford University und sein Team die Verästelungen, die zu Kurzschlüssen und Batteriebränden führen können.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie wird bisher hauptsächlich für biologische und medizinische Zwecke eingesetzt. Bei dem Verfahren werden die Untersuchungsobjekte blitzschnell eingefroren und unterliegen kaum Veränderungen durch das Mikroskopieren. Cui und Kollegen übertrugen dies nun auf die Batterieforschung. Denn ein wichtiger Bestandteil moderner Batterien, das Metall Lithium, geht extrem schnell chemische Reaktionen ein, es kommt zur Korrosion. Das macht es schwierig, Lithium detailliert zu untersuchen.

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Was ist Kryo-Elektronenmikroskopie?

Lange Zeit glaubte man, dass Elektronenmikroskope, deren Entwicklung bereits 1986 ebenfalls mit einem Nobelpreis gewürdigt wurde, sich nur für unbelebte Materie eigneten. Ihr starker Elektronenstrahl zerstöre alles biologische Material, so die Annahme. Dass dies ein Irrtum ist, bewiesen die drei Forscher, die 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden.

1990 gelang es Richard Henderson, mit einem Elektronenmikroskop in atomarer Auflösung ein dreidimensionales Bild eines Proteins zu erstellen. „Dieser Durchbruch war der Beweis für das Potenzial der Technik“, so die Nobeljury in ihrer Begründung

Der 77-jährige Joachim Frank, der in Deutschland geboren wurde und hier promovierte, machte die Technologie grundsätzlich anwendbar. Zwischen 1975 und 1986 entwickelte er eine Methode der Bildverarbeitung, mit der die bis dato unscharfen zweidimensionalen Bilder analysiert und zu einem scharfen dreidimensionalen Bild zusammengefügt werden können.

Jacques Dubochet löste schließlich das Problem, dass Biomoleküle im Vakuum, das bei der Elektronenmikroskopie nötig ist, durch die Evaporation von Flüssigkeiten austrocknen und zusammenfallen. Er brachte sozusagen das Wasser in die Elektronenmikroskopie. Es gelang ihm Anfang der 1980er Jahre, eine spezielle Vitrifikations-Technik zu entwickeln. Er kühlte dazu Wasser so schnell herunter, dass es um eine biologische Probe in seiner flüssigen Form erstarrt. Dadurch behalten die Biomoleküle auch im Vakuum ihre natürliche Form.

Die fortan Kryo-Elektronenmikroskopie genannte Technik wurde in den folgenden Jahren weiter optimiert, die angestrebte atomare Auflösung 2013 erreicht. Wissenschaftler können heute routinemäßig 3D-Strukturen von Biomolekülen erstellen.

Die Technik eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten bei der Beantwortung fundamentaler Fragestellungen von Grundlagenforschung und Medikamentenentwicklung. Die Analyse Antibiotikaresistenz-vermittelnder Proteine von Bakterien für die Entwicklung alternativer Wirkmechanismen oder die Untersuchung der Oberfläche des Zika-Virus für die Identifizierung von Epitopen für die Impfstoffentwicklung sind aktuelle Beispiele.

"Mit Kryo-Elektronenmikroskopie kann man Material betrachten, das anfällig und chemisch instabil ist, und man kann seinen ursprünglichen Zustand bewahren – wie es in einer richtigen Batterie aussieht – und es unter hoher Auflösung betrachten", wird Cui in einer Mitteilung seiner Universität zitiert.

Mit dem Verfahren gelang den Forschern eine überraschende Entdeckung: Die Verästelungen, Dendriten genannt, die sich nach vielen Lade- und Entladevorgängen in Lithium-Ionen-Batterien bilden, bestehen aus Lithium-Einkristallen, also Gebilden mit einem sehr regelmäßigen Kristallgitter.

Bisher hatten Wissenschaftler unter Mikroskopen unregelmäßige Dendriten gesehen. Die Gruppe um Cui berichtet nun im Fachblatt Science, dass solche chaotischen Strukturen durch die Elektronenstrahlen beim Mikroskopieren zustande kommen können – die Dendriten werden regelrecht von Elektronen durchlöchert. Beim neuen Verfahren ist das Lithium bei –170 Grad Celsius in flüssigem Stickstoff geschützt und es werden auch weniger Elektronen für eine hohe Bildauflösung benötigt.

Die Forschergruppe zeigte auch, was ein Zusatzstoff mit Fluor im Elektrolyten - der Flüssigkeit zwischen den Elektroden - der Lithium-Ionen-Batterie bewirkt: eine ebene atomare Ordnung in der Grenzschicht, die sich zwischen einer Elektrode und dem Elektrolyten bildet. "Wir stellen die Hypothese auf, dass die geordnete Natur einer Mehrschichtstruktur eine erhöhte mechanische Haltbarkeit bieten kann, wodurch sie während der Batterieladezyklen robuster wird", schreiben Cui und Kollegen.

"Die Erkenntnisse helfen uns, vorhandene Batterien zu verbessern und neue Materialien für Batterien zu entwickeln", sagt Ko-Autor Benjamin Butz von der Universität Siegen. Man könne in der Batterieforschung viel herumprobieren, aber besser sei es doch, die atomaren Vorgänge genau zu untersuchen und dann logische Schlüsse zu ziehen.

(ID:44977029)