Licht kan de prestaties van brandstofcellen en lithium-ionbatterijen verbeteren

Lithium-ion batterijen, brandstofcellen en vele andere toestellen zijn afhankelijk van een goede ionenmobiliteit. Maar er zijn veel obstakels. Een onderzoeksteam onder leiding van Jennifer L. M. Rupp van de Technische Universiteit van München (TUM) en Harry L. Tuller van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft nu voor het eerst aangetoond dat licht kan worden gebruikt om de mobiliteit van ionen te vergroten en de prestaties van overeenkomstige apparaten te verbeteren, aldus de TUM in een persbericht.

Elektrische lading kan op verschillende manieren door een materiaal worden getransporteerd. De bekendste is de elektrische geleiding van metalen, waarbij de lading wordt gedragen door elektronen. In veel apparaten zijn ionen echter verantwoordelijk voor het ladingstransport. Een voorbeeld zijn lithiumbatterijen, waarin lithiumionen tijdens het laden en ontladen worden verplaatst. Evenzo zijn brandstofcellen afhankelijk van het transport van waterstof- en zuurstofionen om stroom te kunnen leveren. Keramiek wordt momenteel onderzocht als vaste elektrolyt voor het transport van zuurstofionen.

“Bij onze onderzoeken hebben wij echter herhaaldelijk vastgesteld dat de ionengeleidbaarheid – d.w.z. de snelheid waarmee de ionen zich kunnen verplaatsen – vaak aanzienlijk wordt verslechterd doordat korrelgrenzen in het keramische materiaal de ionen hinderen. Dat beperkt de efficiëntie van de resulterende apparaten,” zegt Prof. Harry L. Tuller van het Massachusetts Institute of Technology.

Licht geeft ionen vleugels

In hun recente publicatie laten Tuller en zijn collega Jennifer L.M. Rupp, hoogleraar elektrolytchemie in vaste toestand aan de Technische Universiteit van München, zien hoe licht kan worden gebruikt om de barrière te verlagen die ionen tegenkomen bij korrelgrenzen. Sommige op ionengeleidbaarheid gebaseerde toestellen, zoals brandstofcellen op basis van vaste oxiden, moeten bij zeer hoge temperaturen werken opdat de ionen de korrelgrensbarrière kunnen overwinnen. Bedrijfstemperaturen tot 700° Celsius brengen echter hun eigen problemen met zich mee: de materialen verouderen sneller en de infrastructuur om deze hoge temperaturen te handhaven is kostbaar.

“Onze droom was een instrument te vinden dat ons in staat zou stellen de barrières bij lagere temperaturen te overwinnen en zo dezelfde geleidbaarheid te bereiken,” zegt eerste auteur en doctoraatsstudent Thomas Defferrière. Licht bleek zo’n instrument te zijn, dat in deze context nog niet eerder was onderzocht.

Hogere efficiëntie bij energieomzetting en -opslag

“Ons onderzoek toont aan dat het blootstellen van keramische materialen voor brandstofcellen, en in de toekomst misschien batterijen, aan licht de ionmobiliteit aanzienlijk kan verhogen,” zegt Rupp. “In gadolinium-gedoteerd ceriumoxide, een keramiek die gebruikt wordt als een elektrolyt voor brandstofcellen in vaste toestand, verhoogde blootstelling aan licht het geleidingsvermogen aan de korrelgrenzen met een factor 3,5. Dit pas ontdekte “opto-ionische effect” zou in de toekomst vele toepassingen kunnen hebben.

Het zou bijvoorbeeld de prestaties van dunne vaste elektrolyten in toekomstige lithium-ionbatterijen kunnen verbeteren, waardoor hogere laadsnelheden mogelijk worden, of de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe elektrochemische opslag- en omzettingstechnologieën die bij lagere temperaturen werken en een hoger rendement opleveren. Het licht kan ook nauwkeurig worden gericht, waardoor de ionenstroom op precies gedefinieerde punten ruimtelijk kan worden gestuurd of de geleidbaarheid in keramische materialen kan worden veranderd.

Ook interessant: Drinkwater zuiveren van hormonen met behulp van licht