Mit Licht Ionen beweglich machen

Lithium-Ionen-Akkus und Brennstoffzellen sind auf eine gute Beweglichkeit von Ionen angewiesen. Ein Forschungsteam hat nun erstmals gezeigt, dass sich Licht nutzen lässt, um die Beweglichkeit der Ionen zu erhöhen.

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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 Geräten allerdings sind Ionen für den Ladungstransport zuständig. Ein 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 Sauerstoffionen angewiesen, wenn ein Strom fließen soll.

Als Festelektrolyte für den Transport von Sauerstoffionen 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", so Prof. Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology, der Teil des Forschungsteams ist. 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.

Höhere Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung 

"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 oder den Weg für die Entwicklung neuer elektrochemischer Speicher- und Umwandlungstechnologien ebnen.