Stromspeicher zum Aufpumpen

Eine neuartige chemische Speicherzelle lässt sich direkt mit mechanischen Bewegungen aufladen.

Klassisch muss immer erst Strom erzeugt werden, um damit einen Akku aufladen zu können. Diese beiden Prozesse vereinte nun das Team um Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und schuf einen mechanisch-chemischen Stromspeicher. Herzstück dieser neuartigen Batterie ist eine piezoelektrische Spezialmembran, die direkt aus Bewegungen Strom erzeugt und speichert.

"Beinah alles, was mechanische Aktivität beinhaltet, könnte den Druck für das Laden liefern", sagt Wang. Für den Prototyp nutzte er einen Polyvinylidenfluorid-Film (PVDF) als Membran. Die Kathode der Batterie bestand aus Lithiumkobaltdioxid und die Anode aus Titandioxid-Röhrchen auf einer Titan-Schicht. Dieses Modul setzten sie in eine Schuhsohle. Beim Gehen konnte so mechanischer Druck auf die Membran ausgeübt werden. Dabei verformte sich sich und erzeugte über den piezoelektrischen Effekt ein Spannung, die Lithium-Ionen von der Kathode lösen und durch die Membran zur Anode wandern ließ.

Dort angekommen, reagierten die Lithium-Ionen mit dem Anodenmaterial zu Lithiumtitanoxid. Wie in einem klassisch aufgeladenen Akku konnten die Lithium-Ionen wieder freigesetzt werden und dabei Elektronen in einen Stromkreislauf abgeben. Die Forscher erreichten mit einem rhythmisch ausgeübten Druck bei einer Schreitfrequenz von 2,3 Hertz binnen vier Minuten eine Ladungssteigerung von 327 auf 395 Millivolt. Innerhalb von zwei Minuten konnte die Zelle bei einem Stromfluss von einem Milliampere wieder entladen werden und erreichte etwa eine Kapazität von 0,036 Milliamperestunden.

Diese Stromausbeute ist zwar sehr gering, reichte jedoch zum Betrieb eines kleinen Taschenrechners aus. "Wenn wir das Gehäusematerial verbessern, wird sich die Effizienz noch weiter erhöhen", schätzt Wang. Denn bisher wurde ein Großteil der mechanischen Energie vom relativ festen Gehäuse absorbiert. Mit flexibleren und zugleich stabilen Ummantelungen können sich die Forscher viele Einsatzfelder von einem noch effizienteren Minikraftwerk in der Schuhsohle bis zu zusätzlichen Stromspeicherkomponenten beispielsweise in Wellenkraftwerken vorstellen.

Quelle: "Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell", Xinyu Xue, Zhong Lin Wang et al., Nano Letters, doi: 10.1021/nl302879t (bsc)