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 als opto-ionischer Effekt nutzen lässt, um die Beweglichkeit der Ionen zu erhöhen und die Leistung entsprechender Geräte zu verbessern. .

„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.

Opto-ionischer Effekt: Licht verleiht Ionen Flügel

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 Thomas Defferriere, Mitarbeiter von Professor Tuller am MIT. Als ein solches Werkzeug stellte sich Licht heraus, das man in diesem Zusammenhang nach Einschätzung der Forscher:innen noch nie zuvor erforscht hat.

Höhere Wirkungsgrade

„Unsere Forschung zeigt, dass die Belichtung keramischer Materialien für Brennstoffzellen und in Zukunft vielleicht auch Batterien die Ionenbeweglichkeit erheblich erhöhen kann“, sagt Jennifer 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. Somit könnte das 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 man auch präzise fokussieren, was eine räumliche Steuerung des Ionenflusses an genau festgelegten Punkten oder ein Schalten der Leitfähigkeit in keramischen Materialien ermöglicht.

23.3.2022 | Quelle: TUM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH