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Licht kann Leistung von Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Akkus erhöhen

© TUM, Uli Benz© TUM, Uli Benz

München – Forschende in aller Welt arbeiten daran, die Leistungsfähigkeit von Batterien und Brennstoffzellen zu erhöhen. Von zentraler Bedeutung ist eine hohe Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyten. Erstmals wurde der Faktor Licht untersucht, mit überraschenden Ergebnissen.

Ein Forschungsteam um Jennifer L. M. Rupp von der Technischen Universität München (TUM) und Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben erstmals gezeigt, wie mit Hilfe des gezielten Einsatzes von Licht die Betriebstemperatur von Festkörper-Brennstoffzellen gesenkt werden kann. Der neuartige „opto-ionische Effekt“ könnte zudem deutlich höhere Wirkungsgrade ermöglichen.

Strom ist sich bewegende elektrische Ladung – Ionenleitfähigkeit in Keramiken im Fokus
Elektrische Ladung kann auf verschiedene Weise durch ein Material transportiert werden. Am bekanntesten ist die elektrische Leitfähigkeit von Metallen, bei der die Ladung von Elektronen getragen wird. In vielen anderen Bereichen sind allerdings Ionen für den Ladungstransport zuständig. Ein Beispiel sind Lithium-Akkus, bei denen beim Laden und Entladen Lithium-Ionen in einer Flüssigkeit (Elektrolyt) bewegt werden.

In ähnlicher Weise sind Brennstoffzellen auf den Transport von Wasserstoff- und Sauerstoff-Ionen angewiesen, wenn ein Strom fließen soll. Als Festkörperelektrolyte bzw. feste Ionenleiter für den Transport von Sauerstoff-Ionen werden derzeit Keramiken untersucht. Prof. Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology: „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.“

Licht bringt Ionen auf Trapp – niedrigere Betriebstemperaturen in Brennstoffzellen möglich
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. Bisher müssen Festoxid-Brennstoffzellen bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 700 °C betrieben werden. Das führt u.a. zu einer schnellen Alterung der Materialien.

„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.

Opto-Ionischer Effekt: Hohe Wirkungsgradsteigerung bei Brennstoffzellen durch Licht möglich
Die Belichtung keramischer Materialien für Brennstoffzellen und in Zukunft vielleicht auch Batterien kann die Ionenbeweglichkeit erheblich erhöhen, ist sich Rupp sicher: „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.“

Der neu entdeckte „opto-ionische Effekt“ könnte in Zukunft beispielsweise 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.

© IWR, 2022


24.03.2022

 



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