Forschung

Mit Photonen Ionen mobilisieren

28.03.2022 - Opto-ionischer Effekt verspricht bessere Brennstoffzellen und Akkus.

Lithium-Ionen-Akkus, Brennstoffzellen und viele andere Devices sind auf eine gute Beweglichkeit von Ionen angewiesen. Doch dieser steht eine Vielzahl von Hindernissen entgegen. Ein Forschungsteam um Jennifer L. M. Rupp von der Technischen Universität München (TUM) und Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun erstmals gezeigt, dass sich Licht nutzen lässt, um die Beweglichkeit der Ionen zu erhöhen und die Leistung entsprechender Geräte zu verbessern.

 

Elektrische Ladung kann auf verschiedene Weise durch ein Material transportiert werden. So wird die elektrische Leit­fähigkeit von Metallen von Elektronen getragen. In vielen Geräten allerdings sind Ionen für den Ladungs­transport zuständig, etwa bei Lithium-Akkus, bei denen beim Laden und Entladen Lithium-Ionen bewegt werden. In ähnlicher Weise sind Brennstoff­zellen auf den Transport von Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen angewiesen, wenn ein Strom fließen soll.

Als Festelektrolyte für den Transport von Sauerstoff-Ionen werden derzeit Keramiken untersucht. Aber: „Wir stellten bei unseren Untersuchungen immer wieder fest, dass die Ionen­leit­fähigkeit – also die Geschwindigkeit, mit der sich die Ionen bewegen können – oft deutlich dadurch verschlechtert wird, dass Korngrenzen im keramischen Material die Ionen behindern, was die Effizienz der resultierenden Geräte begrenzt“, sagt Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology.

In ihrer aktuellen Publikation zeigen Tuller und seine Kollegin Jennifer L. M. Rupp, Professorin für Festkörper­elektrolyt­chemie an der Technischen Universität München, wie Licht genutzt werden kann, um die Barriere zu senken, auf die Ionen an Korngrenzen treffen.

Einige auf Ionenleit­fähigkeit basierende Vorrichtungen, wie Festoxid-Brennstoffzellen, müssen bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, damit die Ionen die Korngrenz­barriere überwinden können. Betriebs­temperaturen von bis zu 700 Grad Celsius bringen jedoch ihre eigenen Probleme mit sich: Die Materialien altern schneller und die Infrastruktur zum Aufrecht­erhalten dieser hohen Temperaturen ist kostspielig.

„Unser Traum war es, ein Werkzeug zu finden, mit dem wir die Barrieren auch bei niedrigeren Temperaturen überwinden und damit die gleichen Leit­fähigkeiten erreichen können“, sagt Erstautor und Doktorand Thomas Defferriere. Als ein solches Werkzeug stellte sich Licht heraus, das in diesem Zusammenhang noch nie zuvor erforscht worden war.

„Unsere Forschung zeigt, dass die Belichtung keramischer Materialien für Brennstoff­zellen und in Zukunft vielleicht auch Batterien die Ionen­beweglichkeit erheblich erhöhen kann“, sagt Rupp. „In Gadolinium-dotiertem Ceroxid, einer Keramik, die als Brennstoffzellen-Festkörper­elektrolyt eingesetzt wird, erhöhte die Belichtung die Leit­fähigkeit an den Korngrenzen um den Faktor 3,5.“

Dieser neu entdeckte „opto-ionische Effekt“ könnte in Zukunft viele Anwendungen haben. Beispielsweise könnte er die Leistung dünner Feststoff­elektrolyte in zukünftigen Lithium-Ionen-Akkus verbessern und somit höhere Laderaten ermöglichen, oder den Weg für die Entwicklung neuer elektro­chemischer Speicher- und Umwandlungs­technologien ebnen, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten und höhere Wirkungsgrade erzielen.

Licht kann auch präzise fokussiert werden, was eine räumliche Steuerung des Ionenflusses an genau festgelegten Punkten oder ein Schalten der Leitfähigkeit in keramischen Materialien ermöglicht.

TUM / DE
 

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