Licht macht Ionen beweglich

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Leistungsteigerung von Brennstoffzellen und Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus, Brennstoffzellen und viele andere elektrische Einrichtungen sind auf gute Beweglichkeit von Ionen angewiesen. Doch dieser stehen viele 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.

Stromspeicheranlage bei Younicos, Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Elektrische Ladung kann auf verschiedene Weise transportiert werden. Am bekanntesten ist die elektrische Leitfähigkeit von Metallen, bei der die Ladung von Elektronen getragen wird. Vielfach sind allerdings Ionen für den Ladungstransport zuständig. Ei Beispiel sind 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 Tuller: „Es gibt aber auch viele Geräte, die von der Bewegung der Ionen selbst abhängen und nicht nur von den Elektronen, aus denen sie bestehen“. Beispiele hierfür sind Lithiumbatterien, die beim Laden und Entladen auf die Bewegung von Lithium-Ionen angewiesen sind. Ebenso sind Brennstoffzellen auf die Bewegung von Wasserstoff- und Sauerstoffionen angewiesen, um Strom zu erzeugen. Tuller leitete diese Studie gemeinsam mit Rupp, Gastprofessorin am MIT.

Das Problem

„Jetzt kommt der Knackpunkt“, sagt Tuller. Die Materialien für Anwendungen, die auf der Bewegung von Ionen beruhen, so genannte Festelektrolyte, sind Keramiken. Keramik wiederum besteht aus winzigen Kristallkörnern, die verdichtet und bei hohen Temperaturen gebrannt werden, um eine dichte Struktur zu bilden. Das Problem ist, dass Ionen, die durch das Material wandern, oft an den Grenzen zwischen den Körnern behindert werden. „Wir haben festgestellt, dass die Ionenleitfähigkeit – also die Geschwindigkeit, mit der sich die Ionen bewegen können, und damit die Effizienz des resultierenden Bauelements – durch die Tatsache, dass die Ionen an diesen Korngrenzen blockiert werden, oft deutlich beeinträchtigt wird“, sagt Tuller.

Die Lösung In der neuen Arbeit, über die am 13.01.2022 in Nature Materials berichtet wird, zeigen die Ingenieure, wie Licht eingesetzt werden kann, um die Barriere, auf die die Ionen an den Korngrenzen stoßen, zu senken. „Wir verringern die Höhe der Barriere mit Licht und können so den Fluss der Ionen um den Faktor drei verbessern“, sagt Tuller. „Wir gehen davon aus, dass wir diesen Wert durch Optimierung des Systems noch um Größenordnungen steigern können.“ Der DMSE-Absolvent Thomas Defferriere erklärt: „Stellen Sie sich die Barriere wie eine tiefe Schlucht zwischen zwei Bergen vor. Eine Person, die versucht, von einem Berg zum anderen zu gelangen, müsste eine schwierige Wanderung unternehmen. Stellen Sie sich jedoch vor, dass sich die Schlucht mit Wasser füllt. Plötzlich ist es viel einfacher, die Reise zu machen. Der Wanderer kann einfach ein Boot nehmen oder schwimmen.

Die Forscher wiesen speziell die Wirkung von Licht auf die Bewegung von Sauerstoffionen durch einen bekannten Festelektrolyten aus Ceroxid und Gadolinium nach. „Unsere Ergebnisse“, so Defferriere, „dürften auch auf andere Keramiksysteme anwendbar sein, die andere Elemente leiten.“ William Chueh, ein außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University, der nicht an der Studie in Nature Materials beteiligt war, sagt: „Während die Bewegung von Elektronen unter der Beleuchtung von Licht ausgiebig untersucht wird, findet die Bewegung von Ionen erst jetzt Beachtung. Die Arbeit von Tuller und Kollegen zeigt, dass die Beleuchtung von Materialien für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Batterien den Engpass bei der Ionenbewegung erheblich verringern kann. Diese faszinierende Entdeckung eröffnet die verlockende Möglichkeit, Licht zu nutzen, um Energiespeicher und -umwandlungsgeräte zu verbessern, die normalerweise im Dunkeln arbeiten. Sossina Haile, Walter P. Murphy Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Northwestern University, die nicht an der aktuellen Arbeit beteiligt war, fügt hinzu: „Das ist ein sehr aufregendes Ergebnis. Es deutet sogar darauf hin, dass Licht als Schalter verwendet werden könnte, um die Ionenbewegung ein- und auszuschalten. Wenn das stimmt, sind die Möglichkeiten spektakulär“. Viele Anwendungen Die Arbeit könnte viele Anwendungen haben. So könnte sie beispielsweise die Leistung von dünnen Lithiumbatterie-Elektrolyten erhöhen, indem sie die Ladegeschwindigkeit steigert. Das Licht kann auch fein fokussiert werden, so dass der Ionenfluss räumlich an sehr genau festgelegten Stellen gesteuert werden kann.

Tuller und Defferriere weisen darauf hin, dass einige Geräte, die auf der Ionenleitfähigkeit beruhen, wie z. B. Festoxid-Brennstoffzellen, bei sehr hohen Temperaturen (etwa 700 Grad Celsius) betrieben werden müssen, damit die Ionen die Korngrenzenbarrieren überwinden und sich über sie hinweg bewegen können. Und hohe Temperaturen bringen wiederum ihre eigenen Probleme mit sich. So kann sich das Material selbst zersetzen, und die Infrastruktur für solche Temperaturen ist teuer. „Unser Traum war es, zu sehen, ob wir die Barrieren mit etwas überwinden können, das keine Hitze benötigt. Könnten wir die gleichen Leitfähigkeiten mit einem anderen Werkzeug erreichen?“, sagt Defferriere. Es stellte sich heraus, dass dieses Werkzeug Licht war, das in diesem Zusammenhang noch nie erforscht worden war.

Die Arbeit war sehr interdisziplinär. „Sie zwang uns, aus der Komfortzone unseres traditionellen Fachgebiets, das Keramik und Elektrochemie umfasst, in die Welt der Halbleiter vorzudringen“, so Defferriere. „Dies ist eines der Beispiele dafür, dass wir, wenn wir in unserem eigenen Bereich geblieben wären, nicht auf diese Idee gekommen wären und sie nicht hätten erklären können. Es war sehr aufregend.“ Weitere Autoren des Papiers sind Dino Klotz, Assistenzprofessor am I2CNER und DMSE-Forschungsmitglied, und Juan Carlos Gonzalez-Rosillo, ein DMSE-Postdoc, der jetzt am Katalonien-Institut für Energieforschung in Spanien arbeitet. Defferriere und Klotz sind Co-Erstautoren. Defferriere wird von Rupp und Tuller mitbetreut. Diese Arbeit wurde vom US-Energieministerium, der Japan Society for the Promotion of Science, dem Schweizerischen Nationalfonds für die Wissenschaft, der U.S. National Science Foundation und Equinor unterstützt.

Licht verleiht Ionen Flügel

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° 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 Defferrière. Als ein solches Werkzeug stellte sich Licht heraus, das in diesem Zusammenhang noch nie zuvor erforscht worden war.

Höhere Wirkungsgrade bei Energieumwandlung und -speicherung

„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.

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