Forscher erhöhen Ionen-Leitfähigkeit mit Licht

Es klingt zunächst etwas kurios: Ein Forschungsteam der TU München und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat gezeigt, dass sich Licht nutzen lässt, um die Beweglichkeit von Ionen zu erhöhen. Das Ergebnis scheint aber vielversprechend: Mit dem neu entdeckten „opto-ionischen Effekt“ wollen die Forscher die Leistung von Batterien und Brennstoffzellen verbessern.

Egal ob der Strom im Fahrzeug in einem Lithium-Ionen-Akku gespeichert oder erst in einer Brennstoffzelle erzeugt wird: In beiden Fällen ist die gute Beweglichkeit von Ionen wichtig für die Leistungsfähigkeit des Systems. Entweder fließen im Akku die namensgebenden Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode hin und her (beim Laden und Entladen) oder in der Brennstoffzelle findet der Austausch zwischen Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen statt. Das Ergebnis in beiden Fällen: Es fließt Strom.

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.

Das Problem: Solche Festoxid-Brennstoffzellen müssten bei bis zu 700 Grad Celsius betrieben werden, damit die Ionen die Korngrenzbarriere überwinden können. Dadurch altern die Materialien aber schneller und es wird sehr viel Energie benötigt, um diese Temperaturen aufrecht zu erhalten.

Die Lösung: Licht kann dafür sorgen, dass die Ionen auch bei niedrigeren Temperaturen die Korngrenzbarriere überwinden. „Unsere Forschung zeigt, dass die Belichtung keramischer Materialien für Brennstoffzellen und in Zukunft vielleicht auch Batterien die Ionenbeweglichkeit erheblich erhöhen kann“, sagt Jennifer Rupp, Professorin für Festkörperelektrolytchemie an der Technischen Universität München. „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.“ Neben ihrer Professur in München ist Rupp Associate Professor für Materials Science and Engineering am MIT.

Dieser neu entdeckte „opto-ionische Effekt“ könnte laut einer Mitteilung der TU München künftig die Leistung dünner Feststoffelektrolyte in 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.

Die Arbeiten wurden gefördert durch das US Department of Energy im Rahmen des Programms Basic Energy Services, die National Science Foundation der USA, die Japan Society for the Promotion of Science im Rahmen des Core-to-Core Programms, den Schweizer Nationalfonds, zwei Kakenhi Grant-In-Aid für junge Wissenschaftler und die Equinor ASA. Ein Teil der Arbeiten wurde am Materials Research Science and Engineering Center am Massachusetts Institute of Technology durchgeführt, ein weiterer Teil am Center for Nanoscale Systems, das Teil des National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network der National Science Foundation ist.
tum.de