Werkstoffe, die sich selbst heilen

Selbstheilende Materialien, insbesondere selbstheilende Polymere, wurden in den letzten Jahren intensiv erforscht. Wie Selbstheilung das Leben von Batterien verlängern kann, erläuterten Forscher anlässlich der virtuellen Hannover-Messe 2021.

Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg wollen selbstheilende Polymere dazu nutzen, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen und gleichzeitig deren Lebensdauer zu verlängern. "Wenn es um E-Batterien mit höherer Speicherkapazität und längerer Lebensdauer geht, rückt die Beschaffenheit der in den Lithium-Ionen-Akkus verwendeten Materialien in den Fokus", sagt Wolfgang H. Binder vom Institut für Chemie der Universität Halle-Wittenberg, der mit seinem Team und gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie in ganz Europa im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Autonomous Polymer based Self-Healing Components for high performant Li-Ion Batteries (BAT4ever) daran arbeitet, Technologien zu entwickeln, die die Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Batterien verhindern und die Akkus gleichzeitig noch leistungsfähiger machen.

Die Gruppe um Wolfgang Binder beschäftigt sich mit der Entwicklung von Funktionspolymeren: Mit neuen Materialien, die kleinste strukturelle Defekte selbst erkennen und sogar selbst reparieren können, will Binder "dem Menschheitstraum von dauerhaft haltbaren Materialien näherkommen". Materialien, die zum Beispiel dafür sorgen, dass Batterien von Elektroautos länger halten. Denn: "Je schneller eine Batterie ge- oder entladen wird, desto schneller und stärker altert sie", weiß der Chemiker. Während der Lade- und Entladezyklen ändere sich nämlich das Volumen innerhalb der Batterie. Das Material dehne sich aus und ziehe sich zusammen. Die Folge seien Rissbildungen, die zu einer frühzeitigen Zerstörung der Batterieelektroden und auch der Elektrolyte führe und die Kapazität der Batterie im Laufe der Zeit herabsetze.

In "BAT4ever" – Teil des EU-Programms "Battery2030+" – geht es unter anderem darum, diese Volumenänderungen zu kompensieren. Ziel der gemeinsamen Forschungsarbeiten ist ein Diagnose- und Reparatursystem zur Erkennung und Heilung frühzeitiger Schäden. Das Team der Universität Halle-Wittenberg konzentriert sich auf die Entwicklung eines reversiblen Klebstoffs, der die beim Lade- und Entladevorgang gestresste Elektrode "zusammenhält". Es handele sich um ein klebriges Gel, so Binder, dessen chemische Bindungen unter den Volumenänderungen brechen und sich wieder zusammensetzten würden. Dabei bilde das Gel einen Schutzfilm, der schon feinste Risse in der Elektrode "stopft".

Selbstheilung in Polymeren, Metallen und Beton

Besonders seit Beginn der 2000er Jahre wurden Materialsysteme entwickelt, die in der Lage sind, mit Schadensereignissen umzugehen. In "Self-healing Materials", herausgegeben von Martin D. Hager, Sybrand van der Zwaag und Ulrich S. Schubert, erläutern 42 Autoren, wie im Unterschied zu "klassischen" Materialien bei selbstheilenden Materialien die ursprünglichen Eigenschaften und Funktionalitäten ohne nennenswerte menschliche Eingriffe (teilweise) wiederhergestellt werden. Neben den biologischen Archetypen werden auch bakteriell basierter selbstheilender Beton und Selbstheilung in Metallen diskutiert – meist geht es den Springer-Autoren bei der Vorstellung des aktuellen Stands der Dinge bei selbstheilenden Materialien jedoch um Polymere.

Auch Wolfgang H. Binder hat sich an dem Band beteiligt und trägt zusammen mit den Mitautoren Marcel Enke, Diana Döhler, Stefan Bode, Martin D. Hager und Ulrich S. Schubert, zur Wissensvermittlung bei. Im Buchkapitel "Intrinsic Self-Healing Polymers Based on Supramolecular Interactions: State of the Art and Future Directions" stellt die Autorengruppe zunächst die Voraussetzungen für das Design selbstheilender Polymere vor und fasst die Entwicklung supramolekularer selbstheilender Polymere auf Basis verschiedener nicht-kovalenter Wechselwirkungen zusammen. Darüber hinaus diskutiert sie Herausforderungen und Perspektiven für das Verständnis der Selbstheilungsmechanismen und die Herstellung neuartiger Materialien mit verbesserten Eigenschaften.