Forschungserfolg US-Forscher entwickeln sich selbst aufladende Speicherzelle

Forscher am Georgia Institute of Technology haben eine sich selbst ladende Zelle entwickelt, die mechanische Energie direkt in chemische Energie wandelt und diese speichert, bis sie als elektrischer Strom freigesetzt wird. Da die mechanische Energie nicht erst in elektrische Energie umwandelt wird, um einen Akku zu laden, arbeitet diese Generator-Speicherzelle effizienter als Systeme mit separaten Generatoren und Akkus.

Herzstück der sich selbst aufladenden Zelle ist eine piezoelektrische Membran, die Lithium-Ionen von einer Seite der Zelle zu der anderen befördert, wenn die Membran durch mechanische Belastung verformt wird. Diese Lithium-Ionen lasen sich direkt als chemische Energie mittels eines elektrochemischen Prozesses speichern. Ist diese Zelle beispielsweise in einem Schuhabsatz integriert, erzeugt die Zelle genug Strom, um einen kleinen Rechner zu betreiben. Eine Hybrid-Zelle von der Größe einer herkömmlichen Knopfzelle kann Strom für kleine elektronische Geräte liefern. Die Forscher glauben, dass die Generator-Speicherzelle bis zu fünfmal effizienter bei Umwandlung von mechanischer Energie in chemische Energie ist als klassische Speichersysteme bestehend aus separatem Generator und Akku.

Die Zelle besteht aus einer Kathode aus Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) und einer Anode bestehend aus Titandioxid-Nanoröhrchen (TiO2), die man auf einem Titanfilm aufwachsen lässt. Die beiden Elektroden sind getrennt durch eine Membran aus Poly(vinylidenfluorid)-Film (PVDF), das unter Belastung eine piezoelektrische Ladung erzeugt. Wenn die Zelle mechanisch komprimiert wird, erzeugt der PVDF-Film ein piezoelektrisches Potenzial, das als Ladungspumpe dient, um die Lithiumionen aus der Kathodenseite zur Anodenseite zu befördern. Die Energie wird dann in der Anode etwa Lithium-Titanoxid gespeichert.

Durch eine mechanische Druckkraft mit einer Frequenz von 2,3 Hz erhöhen die Forscher die Spannung in der Zelle von 327 mV bis 395 mV in nur vier Minuten. Danach entluden sie sie wieder mit einem Strom von 1 mA innerhalb von zwei Minuten auf die ursprüngliche Spannung. Die Forscher schätzten die gespeicherte elektrische Energie auf ca. 0,036 mAh.