Erstmals tiefe Einblicke in Mechanismen des Ionentransports

Ionische Leiter transportieren elektrische Ladung. Einfachstes Beispiel ist die Batterie, bei der eine Salzbrücke als Verbindung zwischen zwei Elektrolytlösungen dient. Die Leiter kommen aber auch bei einer anderen Art der elektrochemischen Energiespeicherung zum Einsatz. Nämlich dann, wenn Ionen durch einen Elektrolyten – meistens eine Flüssigkeit – von einer Elektrode zur anderen wandern. Das ist z. B. bei der Brennstoffzelle der Fall. „Die Funktionsweise ist zwar grundsätzlich bekannt.

Unklar ist aber bislang, wie der Ionentransport auf mikroskopischer Ebene abläuft“, sagt Jun.-Prof. Dr. Hans-Georg Steinrück von der Universität Paderborn. Zusammen mit Wissenschaftler*innen des Stanford National Accelerator Laboratory SLAC und des Argonne National Laboratory, beide USA, hat er untersucht, wie Bewegung und Geschwindigkeit einzelner Ionen gemessen werden können.

Ihre Studie wurde jetzt im Fachmagazin „Energy and Environmental Science“ veröffentlicht. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, in Zukunft deutlich effizientere Batterietypen zu entwickeln und auf diese Weise kohlenstoffneutrale Energieversorgungskonzepte voranbringen.

Ionentransport zeitlich und räumlich verstehen

„Das Verständnis des Ionentransports ist wichtig, um neue Leiter zu entwickeln und die Leistung von Geräten oder ganzen Technologien zu verbessern. Aber auch, um Mechanismen in Membranfiltern und biochemische Prozesse im menschlichen Körper nachzuvollziehen. Bislang gibt es allerdings zur Vorhersage nur solche Modelle, die auf Basis eines Kontinuums arbeiten. Sie bilden das Geschehen eher schematisch auf einer Makroebene ab. Es gibt also keine Analysen, die die Beziehung zwischen der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Ionen auf der Mikroebene berücksichtigen. Nur so kann aber genau simuliert werden, wie sich die Ionen in neuen Systemen oder Geräten verhalten“, erklärt Steinrück.

Neue Materialien für die Energiespeicherung

Der Paderborner Chemiker und sein Team wollen mit ihrer Forschung vor allem der klimafreundlichen Energiespeicherung den Weg bereiten: „Kenntnisse über Transportphänomene sind deshalb so wichtig, weil auf ihrer Basis neue Elektrolyt- und Elektrodenmaterialen entwickelt werden können. Leistung und Sicherheit einer elektrochemischen Zelle – wie etwa der Ionenbatterie oder der Brennstoffzelle – können damit genaustens vorhergesagt werden“, so Steinrück weiter.

Räumlich aufgelöste Messungen von Ionengeschwindigkeiten

Bei seiner Forschung geht das internationale Team völlig neue Wege: Sie setzen u. a. auf experimentelle Messungen mittels „Operando-Spektroskopie“, einer analytischen Methode, bei der die spektroskopische Charakterisierung von Materialien gleichzeitig mit der Messung der elektrochemischen Aktivität verknüpft wird. In diesem Ansatz kombinieren sie u. a. Synchrotron-Röntgenstrahlen mit makroskopisch beobachteten Transportphänomenen.

Steinrück: „Wir haben nicht nur verschiedene Messtechniken miteinander gekoppelt, sondern auch Simulationen in die Analysen eingebaut. Wir gehen davon aus, dass unsere Methode auf verschiedene ionenleitende Materialien ausgedehnt werden kann. Soweit wir wissen, stellen unsere Ergebnisse die ersten räumlich aufgelösten Messungen von Ionenbewegungen in einem elektrochemischen System dar.“ Laut Steinrück kann die Methode künftig auf die Weiterentwicklung von Ionenbatterien und Brennstoffzellen angewandt werden und damit zum Ziel der Kohlenstoffneutralität beitragen. Außerdem könne sie dabei helfen, ein grundlegendes Verständnis von biochemischen Prozessen zu schaffen.

Zur Veröffentlichung: https://doi.org/10.1039/D0EE02193H

Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing