Batterie lädt sich durch Pumpen selbst auf

Atlanta (USA) – Eine Taschenlampe durch Kurbeln wieder aufzuladen, das kennen schon Kinder. Dabei wird mechanisches Kurbeln in elektrischen Strom gewandelt, den eine Batterie chemisch speichern kann. Dieses Prinzip haben Forscher jetzt vereinfacht – sie verzichten auf den Mittelschritt. Der Stromgenerator ist überflüssig, stattdessen sorgt eine Spezialmembran direkt in der Batterie für das Speichern der Energie. Abgegeben wird der Strom dann wieder wie bei jeder anderen Batterie. Das neue System arbeite effizienter als herkömmliche Systeme und lasse sich wegen der geringen Größe in viele tragbare Geräte integrieren, berichten die Forscher im Fachblatt „Nano Letters“.

Bestandteile der Batterie

„Die Menschen sind es gewohnt, das Erzeugen und das Speichern elektrischer Energie als zwei getrennte Vorgänge zu betrachten, die in zwei getrennten Vorrichtungen ablaufen“, berichtet Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology. „Wir haben sie in einer einzigen Hybrideinheit zusammengebracht, in einer sich selbst aufladenden Energiezelle.“ Das Herzstück der neuartigen Hybridbatterie ist eine polarisierte piezoelektrische Membran. Sie pumpt auf Druckbewegungen Lithiumionen von einer Kammer der Speicherzelle in die andere. Durch die Verformung der Membran baut sich ein piezoelektrisches Potenzial auf, das die Ionen durch die Barriere wandern lässt, berichten Wang und Kollegen. Dort binden sie sich chemisch an die Anode. Dieser Kreislauf wiederholt sich für weiteres Aufladen. Die so erhöhte elektrische Ladung kann dann durch Schließen des Stromkreises wieder abgerufen werden. Einen kleinen Taschenrechner soll das System, etwa durch den Druck in einer Schuhsohle beim Laufen, bereits versorgen können.

Wangs Team nutzte einen Polyvinylidenfluoridfilm (PVDF) als Membran. Die Kathode der Batterie bestand aus Lithiumkobaltdioxid, die Anode aus Titandioxidröhrchen auf einer Titanschicht. Das piezoelektrische Potenzial befördert Lithiumionen durch die Membran zur Anode, bis die Elektroden wieder im chemischen Gleichgewicht sind und die Ionen das Membranpotenzial ausgleichen. Lässt der Druck nach, so sind die Ionen bereits an der Anode zu Lithium-Titan-Oxid geworden. Erneuter Druck wiederholt den Zyklus. Im Stromkreislauf fließen dann Elektronen zwischen den Elektroden und im Inneren der Batterie wandern die Lithiumionen zur Kathode zurück. Die Forscher erreichten mit einer schnellen Druckfrequenz von 2,3 Hertz binnen vier Minuten eine Ladungssteigerung von 327 auf 395 Millivolt. Stromfluss von einem Milliampere über zwei Minuten entlud die Zelle wieder, die geschätzte Kapazität liegt derzeit bei 0,036 Milliamperestunden.

„Wenn wir das Gehäusematerial verbessern, wird sich die Effizienz noch weiter erhöhen“, schätzt Wang, „bisher ist die Energiemenge, die in die Zelle geht, recht klein, weil so viel davon vom Gehäuse absorbiert wird.“ Das Äußere des Prototyps besteht aus einer Edelstahlhülse, die durch den Druck ebenfalls verformt werden muss. Bisher liege die Effizienz der Zelle bis zu fünf Mal höher als herkömmliche Systeme aus getrennten Generator- und Speichereinheiten.

Die Einsatzfelder seien vielfältig, sie reichten vom Einsatz im Straßenverkehr über die Kraft der Ozeanwellen bis zu menschlicher Bewegung, so Wang: „Beinah alles, was mechanische Aktivität beinhaltet, könnte den Druck für das Laden liefern. Menschen könnten beim Spazierengehen Strom erzeugen.“