Lithium-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen und viele andere Geräte sind uff die hohe Mobilität von Ionen angewiesen, um richtig zu laufen. Handkehrum es gibt eine große Zahl von Hindernissen für jedes eine solche Mobilität. Ein Forschungsteam um Jennifer LM Rupp von welcher Technischen Universität München (TUM) und Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun erstmals gezeigt, dass Licht genutzt werden kann, um die Mobilität von Ionen zu steigern und zu verbessern die Leistung solcher Geräte verbessern.
Eine Ladung kann uff verschiedene Weise von einem Werkstoff transportiert werden. Am bekanntesten ist die elektrische Leitwert von Metallen, zusammen mit welcher die Ladung von Elektronen getragen wird. In vielen Geräten transportieren jedoch Ionen die Ladung. Ein Muster sind Lithium-Ionen-Batterien, in denen sich Lithium-Ionen beim Laden und Freisprechen in Bewegung setzen. In ähnlicher Weise sind Brennstoffzellen uff den Vorschub von Wasserstoff- und Sauerstoffionen angewiesen, um Saft zu leiten.
Keramiken werden derzeit qua Festelektrolyte zum Vorschub von Sauerstoffionen untersucht. Handkehrum: „Welches wir feststellen, ist, dass die Ionenleitfähigkeit – die Tempo, mit welcher sich die Ionen in Bewegung setzen können und von dort wie effizient dies resultierende Gerät sein kann – oft spürbar durch die Tatsache verschlechtert wird, dass die Ionen an Korngrenzen verkrampft werden“, sagt er Prof. Harry L. Tuller vom Massachusetts Institute of Technology.
Licht bringt Ionen in Fortbewegung
In ihrer aktuellen Publikation zeigen Tuller und seine Kollegin Jennifer LM Rupp, Professorin für jedes Festkörperelektrolytchemie an welcher Technischen Universität München, wie Licht genutzt werden kann, um die Barrieren zu verringern, denen Ionen an keramischen Korngrenzen begegnen.
Viele Geräte, die uff Ionenleitfähigkeit basieren, wie zum Muster Festoxid-Brennstoffzellen, sollen zusammen mit sehr hohen Temperaturen funktionieren, damit die Ionen die Korngrenzenbarrieren bezwingen können. Betriebstemperaturen von solange bis zu 700 °Kohlenstoff stellen jedoch ihre eigenen Herausforderungen dar: Materialien altern schneller und die Unterbau zur Aufrechterhaltung dieser hohen Temperaturen ist kostspielig.
„Unser Traum war es, zu sehen, ob wir die Barrieren mit irgendetwas bezwingen können, dies keine Wärme gesucht. Könnten wir die gleichen Leitfähigkeiten mit einem anderen Werkzeug gelingen?“ sagt Hauptautor und Promovend Thomas Defferriere. Dieses Werkzeug stellte sich qua leichtgewichtig hervor, dies in diesem Zusammenhang noch nie zuvor untersucht worden war.
Höhere Wirkungsgrade zusammen mit Energieumwandlung und -speicherung
„Unsrige Wissenschaft zeigt, dass die Licht von keramischen Materialien für jedes Brennstoffzellen und zukünftig unter Umständen für jedes Batterien die Ionenmobilität spürbar steigern kann“, sagt Rupp. „In Gadolinium-dotiertem Ceroxid, einer Töpferware, die qua Festkörperelektrolyt in Brennstoffzellen verwendet wird, erhöhte die Licht die Leitwert an den Korngrenzen um den Kennzeichen 3,5.“
Dieser neu entdeckte „opto-ionische Ergebnis“ könnte in Zukunft vielfältige Anwendungen finden. Sie könnte wie die Leistung von Festkörperelektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien von morgiger Tag verbessern und damit höhere Ladegeschwindigkeiten zuteil werden lassen oder den Weg zur Reifung neuer elektrochemischer Speicher- und Umwandlungstechnologien ebnen, die zusammen mit niedrigeren Temperaturen funktionieren und verschmelzen höheren Wirkungsgrad gelingen Ebenen.
Zudem lässt sich Licht präzise fokussieren, wodurch welcher Ionenfluss räumlich an genau definierten Stellen gesteuert oder die Leitwert in keramischen Materialien geschaltet werden kann.
Forschungsbericht: „Photoverstärkte Ionenleitfähigkeit verbleibend Korngrenzen hinweg in polykristallinen Keramiken“
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Technische Universität München
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