07.04.2020 - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

Wie die Untersuchung von Ionenschwingungen zu besseren Batterien führen kann

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene Ionen, die sich im Wasser frei bewegen können: Es entsteht eine Elektrolytlösung. Durch elektrische Spannungen lassen sich diese geladenen Teilchen innerhalb der Lösung transportieren und sorgen somit für einen elektrischen Strom. Dies stellt die Basis für die Technologie von Batterien oder die Energiespeicherung in lebenden Zellen dar.

Um Ströme innerhalb von Batterien zu vergrößern ist es notwendig, auch die Anzahl der gelösten Ionen zu erhöhen. In diesem Fall stoßen aber Ionen immer häufiger auf andere Ionen in der Flüssigkeit, was zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führt.

Um höhere Ströme in Elektrolytlösungen erreichen zu können, haben nun Wissenschaflter des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung um Dr. Johannes Hunger und Dr. Yuki Nagata (Arbeitskreis Prof. Dr. Mischa Bonn) Elektrolytlösungen sowohl experimentell als auch in Computersimulationen untersucht. In einer Kooperation mit Wissenschaftlern aus Berlin und Graz haben sie hierfür die mikroskopische Bewegung von Ionen experimentell untersucht. Sie konnten zeigen, dass die Ionen – bevor sie sich in der Flüssigkeit bewegen können – zunächst von den sie umgebenden Molekülen wie in einer Art Käfig festgehalten werden, und innerhalb dieses Käfigs hin- und herschwingen, ähnlich wie auf einer Schaukel. Diese ultraschnelle Bewegung, die zwischen 1000 Milliarden und 10000 Milliarden Mal pro Sekunde vonstatten geht, konnten Sie mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen analysieren.

Sie konnten damit nachweisen, dass die maximale Auslenkung der Ionen – sozusagen die Länge der Kette der Schaukel – eine Aussage darüber erlaubt, wie hoch der später mögliche elektrische Strom ist. Diese experimentellen Erkenntnisse konnten sie auch mit Computersimulationen bestätigen. Somit konnten sie ein über 100 Jahre altes Rätsel lösen: Der Widerstand einer Elektrolytlösung hängt nämlich neben der Anzahl der Ionen auch von deren Größe bzw. Form ab. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass der Widerstand auf unterschiedliche Käfige und Käfigschwingungen zurückgeführt werden kann.

Solche molekularen Einblicke in die Bewegung von Ionen sind essentiell, um den Transport von Ladungen in Elektrolyten zu verstehen. Die Experimente zeigen, dass eine Elektrolytlösung umso besser leitet, je stärker die Ionen in ihrem Käfig schwingen: Je stärker die Ionen im Käfig schwingen umso stärker rütteln sie an ihrem Käfig und können somit leichter aus dem Käfig ausbrechen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über MPI für Polymerforschung

  • News

    Kombinatorische Krebstherapie

    Auf der Suche nach Wirkstoffen gegen Krebs stehen immer häufiger Kombinationstherapien im Mittelpunkt. Wissenschaftler aus Deutschland und China haben jetzt Chemotherapie mit photodynamischer Therapie kombiniert. Alle Wirkstoffe werden in einer Nanokapsel mit Proteinhülle verkapselt und gem ... mehr

    Aus eins mach zwei – Teilung künstlicher Zellen

    Die Erfolgsgeschichte des Lebens auf der Erde beruht auf der erstaunlichen Fähigkeit von lebenden Zellen, sich in zwei Tochterzellen zu teilen. Während eines solchen Teilungsprozesses muss die äußere Zellmembran eine Reihe von Formänderungen durchlaufen, die schließlich zur Membranteilung f ... mehr

    Wie man effiziente Materialien für OLED-Displays entwickelt

    Für Anwendungen wie Leuchtdioden oder Solarzellen stehen heute organische Materialien im Mittelpunkt der Forschung. Diese organischen Moleküle könnten eine vielversprechende Alternative zu den bisher verwendeten Halbleitern wie Silizium oder Germanium sein und werden in OLED-Displays einges ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft

  • News

    Erster programmierbarer Photokatalysator entwickelt

    Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben einen nachhaltigen und „intelligenten Photokatalysator“ entwickelt. Die Besonderheit: Als sogenanntes smart material kann er zwischen Lichtfarben (Blau, Rot und Grün) unterscheiden und ermöglicht als Antwort darauf ... mehr

    Wirkmechanismus des potenziellen Corona-Medikaments Molnupiravir entschlüsselt

    Die USA sicherten sich kürzlich 1,7 Millionen Dosen eines Wirkstoffs, der Covid-19-Patienten helfen könnte. Molnupiravir bremste in vorläufigen Studien das Coronavirus SARS-Cov-2 bei seiner Vermehrung aus. Forschende am Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie und der ... mehr

    Zelluläre Filamente im Takt

    Ein neues Modell beschreibt die Koordination schlagender Flimmerhärchen und erlaubt es ihr funktionelles Verhalten vorherzusagen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) untersuchten die Bildung metachronischer Wellen in Gruppierungen von Zilien und die ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: