Work Wednesday


Adventures in Hong Kong

Studies and Work at HKUST


Bunte Bilder

Dieses Bild beschreibt einen Aspekt dessen, was in meiner virtuellen Batterie passiert, wenn sie entladen wird - mit zunehmender Ionenkonzentration schwellen die Elektroden an. Was in dem Bild eigentlich passiert, habe ich mal auf 15 Seiten für meinen Betreuer zusammengefasst.

Animation


Wie wir unzufriedene Ionen ausbeuten.

Lithium-Ionen Batterien treiben unsere Laptops, Smartphones und zum Teil auch schon Autos an. Hier will ich ganz grob erklären, wie diese Batterien funktionieren und was meine Arbeit im Praktikum damit zu tun hat.

Die Beschreibung ist natürlich sehr vereinfacht. In Wirklichkeit gibt es bei diesem Prozess ziemlich viele komplexere Phänomene, die man in Electrochemical Science and Technology (wenn man so wenig Ahnung von Chemie hat, wie ich) oder Electrochemical Systems (wenn man es sich so richtig geben will) nachlesen kann.

Die Skizze zeigt stark vereinfacht den Aufbau einer solchen Batterie. Die negative Elektrode besteht aus Graphit, also dem gleichen Material, das man auch im Bleistift findet. Die positive Elektrode ist oft ein Lithium-Metall-Oxid - das benutzt man im Alltag eher nicht. Diese beiden Elektroden werden durch einen porösen Separator getrennt, in dem sich eine Flüssigkeit befindet, die sehr gut Ionen leitet, aber nur sehr schlecht Elektronen leiten kann.

Battery Scheme

Laden Wenn man nun von außen ein elektrisches Feld anlegt, dann werden Elektronen von der positiven Elektrode abgesaugt und zur negativen Elektrode gepumpt. Würden die Lithium Ionen dann in der positiven Elektrode bleiben, würde das zu einem ziemlichen Ungleichgewicht in der Ladungsverteilung mit allen negativen Elektronen links und den positiven Ionen rechts führen. Die Elektronen können das nicht ausgleichen, denn sie können sich nicht durch den Separator bewegen. Die Ionen hingegen können diesen recht einfach passieren und wandern deswegen zur negativen Elektrode und lagern sich in den Graphitschichten ein. Da ist natürlich nur begrenzt viel Platz und deshalb ist die Batterie irgendwann "voll".

Speichern So richtig wohl fühlen sich die Ionen im Graphit aber nicht - am liebsten würden sie eigentlich wieder zurück auf die andere Seite. Solange aber nicht ebenfalls auch Elektronen auf die andere Seite gelangen, können sie dort nicht weg. In die Batterie hat man also beim Laden chemische Arbeit gesteckt, die nun in Form von unzufriedenen Ionen gespeichert wird.

Entladen Sobald man eine Verbindung der beiden Elektroden herstellt, die Elektronen leiten kann, werden die Ionen wieder zurückwandern und mit ihnen auch die Elektronen. Letzteres ist genau der Strom, den eine Batterie liefert und den unsere Smartphones nutzen.

Meine Aufgabe Lithium ist ein seltener und teurer Rohstoff - deswegen wäre es wünschenswert, den gleichen Prozess mit Natrium zu machen. Denn Natriumionen sind in Form von Meersalz praktisch unbegrenzt verfügbar.

Der Ionenradius für Natrium ist aber deutlich größer und man kann sich leicht vorstellen, dass die Elektrode beim Einlagern irgendwie dicker werden muss. In der Tat kann sie um bis zu 150% größer werden und dabei mehrere andere Prozesse beeinflussen. Diesen Effekt wollen wir simulieren und in das homogenisierte Standardmodell für Ionen-Batterien integrieren.


Uni Ausstattung

"Deutsche Flughäfen sind so penibel auf Hochglanz poliert wie amerikanische Universitäten. Amerikanische Flughäfen dagegen sehen so furchtbar ungepflegt aus wie deutsche Unis." - Harvard-Dozent Yascha Mounk in der ZEIT

Irgendwie gewinne ich auch hier den Eindruck, dass die meisten Einrichtungen der Uni ziemlich auf Hochglanz poliert sind. Insgesamt merkt man schon recht deutlich, dass reguläre Studenten hier sehr viel Geld für ihr Studium zahlen. Das spiegelt sich in der Ausstattung und der Anzahl beschäftigter Arbeitskräfte zum putzen und gärtnern wieder.

Bibliothek Arbeitsplätze in der Bibliothek


Erste Ergebnisse

Es hat mittlerweile geklappt, die Spannungen in einem Partikel durch das Eindringen von Lithium-Ionen unter idealen Bedingungen zu berechnen und damit aktuelle Forschungsergebnisse zu reproduzieren. Wenn auch die Simulation unter nicht-idealen Bedingungen klappt, kann ich in Neuland vordringen und die Berechnungen für Natrium-Ionen Batterien erweitern.

Mittlerweile ist auch hier der Winter eingebrochen. Gerade eben musste ich sogar einen Pullover anziehen.


Was mache ich eigentlich an der Uni?

Was mache ich eigentlich in Hong Kong, wenn ich nicht gerade die Stadt oder den Ausblick aus meinem Zimmer genieße?

Meine Aufgabe ist es, ein mathematisches Modell für den Ladungstransport in Natrium-Ionen Batterien zu entwickeln. Dies ist im wesentlichen analog zu existierenden Modellen für Lithium-Ionen Batterien, muss allerdings um eine mikromechanische Formulierung für die Expansion der Elektrode erweitert werden, da diese bei der Einlagerung von Natrium relativ stark expandiert.

Dies ist ein sehr interdisziplinäres Feld in dem Strömungen des Elektrolyts, Ionentransport in den Phasen, Elektrostatik und Festkörpermechanik kombiniert werden. Schlussendlich soll das mikromechanische Modell noch homogenisiert werden, um den Berechnungsaufwand auf makroskopischer Ebene zu verringern.


HKUST Campus

Am Mittwoch bin ich zu einer kleinen Wandertour aufgebrochen und wurde trotz mäßigen 25° doch etwas von der Luftfeuchtigkeit und dem steilen Anstieg des Weges überrascht. Oben angekommen wehte glücklicherweise eine angenehme Brise von See.

Der Campus erstreckt sich dann vom Berggipfel (Tai Po Tsai Village) bis komplett hinunter zur Küste - mit Blick auf das Meer und die vorgelagerten Inseln versteht sich. Am Sonntag ziehe ich hierher und am Montag geht es dann an der Uni los.

Am Abend bin ich noch ins Zentrum gefahren und bin mit der Star Ferry nach Kowloon übergesetzt. Zufällig startete dort gerade eine Light Show, die meine schlechte Kamera am Handy aber nur sehr schlecht einfangen konnte: Symphony of Lights Neben Englisch auf dem Campus und Kantonesisch in dem Wohnblock habe ich hier dann auch schon gleich wieder Deutsch gehört, denn in Kowloon geht das Oktoberfest bis November. Statt der Giant Beer Combo habe ich mich aber doch für die lokale Dim Sum Combo mit Fish Balls (魚蛋) entschieden. Was auch immer das genau war, es hat äußerst gut geschmeckt.