Selbstaufladende Batterie bietet neue Möglichkeiten der Stromversorgung

Ein neuer Batterietyp kombiniert negative Kapazität und negativen Widerstand in derselben Zelle. Mit anderen Worten, die Batterie kann sich ohne Energieverlust selbst aufladen und bietet enorme Potentiale für die langfristige Energiespeicherung und Lagerung.

„Sich selbst aufladen“ klingt physikalisch unmöglich, bezieht sich aber nicht auf ein Perpetuum Mobile, eine Maschine, die mehr Energie bereitstellt, als sie benötigt. Sich selbst aufladen heißt in diesem Fall, das kein externes Ladegerät nötig ist und ein Stromanschluss ausreicht. Die Eigenschaften der neuen Batterie „ziehen“ den Strom dann von selbst in die Zelle.

Einfacher als eine herkömmliche Batterie

Die Forscher der Universität Porto (Portugal) und der University of Texas (USA) sehen unzählige Anwendungsgebiete ihrer neuen Batterie. Neben extrem niederfrequenter Kommunikation und in Geräten wie Blinkleuchten, elektronischen Piepsern, Wechselrichtern und ähnlichen, sind auch die IT-Anwendung denkbar.

In ihrer in „Applied Physics Reviews“ veröffentlichten Studie berichten die Forscher um Helena Braga, dass die „sehr einfache Batterie“ zwei verschiedene Metalle als Elektroden und einen Lithium- oder Natriumglaselektrolyt enthält.

„Der von uns entwickelte Glaselektrolyt war lithiumreich, und so dachte ich, dass wir eine Batterie herstellen könnten, bei der der Elektrolyt beide Elektroden mit Lithium-Ionen versorgt, und zwar beim Laden und Entladen, ohne dass Lithium-Metall benötigt wird“, erklärt Braga.

Diese Arbeit sei bedeutsam, weil sie die Theorie hinter allen Festkörpergeräten vereinigt, einschließlich Batterien, Kondensatoren, Photovoltaik und Transistoren, so die Forscher weiter. Diese Theorie besagt, das Materialkombinationen von verschiedenen Materialien in elektrischem Kontakt die Eigenschaften des kombinierten Materials anstelle der Eigenschaften der einzelnen Materialien aufweisen.

Selbstorganisation ist die Substanz des Lebens

„Wenn eines der Materialien ein Isolator oder Dielektrikum ist, wie beispielsweise ein Elektrolyt, ändert es lokal seine Zusammensetzung. Es bildet Kondensatoren, die Energie speichern und die Fermi-Niveaus innerhalb des Geräts ausrichten können“, sagte Braga. Ferminiveaus sind ein Maß für die Energie der am wenigsten fest gehaltenen Elektronen. Diese sind außerdem für Polarität der Elektroden verantwortlich.

In einer Batterie ist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden im offenen Stromkreis auf die elektrische Notwendigkeit zurückzuführen, die Ferminiveaus auszurichten. Die chemischen Reaktionen kommen später und werden von dieser in den Kondensatoren gespeicherten elektrischen Potentialenergie gespeist.

Bei unseren elektrochemischen Zellen, die im Prinzip einfacher sind als Batterien, geht es um Selbstorganisation, die die Substanz des Lebens ist“, sagte Braga.

Um die typische Selbstentladung herkömmlicher Batterien abzuschwächen oder zu stoppen, entwickelten die Forscher Materialien, die ein Sprung in den Ferminiveaus nicht zulassen beziehungsweise einen negativen Widerstand aufweisen. „Dies kann erreicht werden, indem man die negative Elektrode aus dem gleichen Material wie die positiven Ionen des Elektrolyten hat. [Dadurch] entsteht eine Vorrichtung, die sich ohne Selbstzyklen selbst auflädt […]“, so Braga weiter.

Das steht völlig im Gegensatz zur natürlichen Selbstentladung, die in nahezu jeder Batterie stattfindet. Dabei wird die chemische Energie langsam in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Daher kann eine Möglichkeit, die Selbstentladung zu stoppen, sowohl Autonomie als auch Haltbarkeit von Batterien erheblich verbessern.

(Mit Material des Amerikanischen Instituts für Physik (AIP))