Chemiker haben eine thermo-galvanische Zelle auf Hydrogel-Basis entwickelt, die die Batterie durch Verdunstung von Wasser effektiv kühlen und einen Teil der Energie in Strom umwandeln kann. Mithilfe eines solchen Hydrogels konnten die Wissenschaftler die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie um 20 Grad Celsius senken und fünf Milliwatt nutzbare Leistung erzeugen. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.
Elektro- und Energiegeräte wie Solarzellen, Dioden und Mikroprozessoren erzeugen während ihres Betriebs viel Wärme. Diese Wärme muss von der Quelle abgeführt werden, um eine lokale Überhitzung zu vermeiden, die die Effizienz des Geräts und seine Nutzungsdauer verringert. Wissenschaftler versuchen, das Problem zu lösen, die Abfuhr überschüssiger Wärme und die Umwandlung dieser Wärme in Nutzarbeit zu kombinieren. Herkömmliche Ansätze zur Wärmerückgewinnung – thermoelektrische Module – fügen zusätzlichen Wärmewiderstand hinzu, der die Wärmeableitung verhindert und die Temperatur im Inneren des Geräts erhöht. Und eine effiziente Wärmeableitung erfordert energieintensive Lüfter und Pumpen. Diese widersprüchlichen Prozesse können derzeit nicht erreicht werden.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler thermogalvanische Zellen als effiziente und kostengünstige Wärmerückgewinnungsgeräte entwickelt. Sie bestehen aus zwei inerten Elektroden und einer dazwischen befindlichen Elektrolytlösung. Die Energieumwandlung ist für die Ionenwanderung in Lösung und die temperaturabhängige Entropieänderung beim Übergang eines Elektrons zwischen einem Redoxpaar und Elektroden verantwortlich. Im Gegensatz zu thermoelektrischen Zellen wird das Lösungsmittel in thermoelektrischen Zellen nur zur Unterstützung des Ionentransports und der Redoxreaktion benötigt und kann daher aus dem Elektrolyten entfernt werden, ohne die Effizienz thermoelektrischer Prozesse zu beeinträchtigen. Auf Basis dieses Lösungsmittels kann ein zusätzlicher thermodynamischer Kreislauf durchgeführt werden, beispielsweise in wässrigen Elektrolyten kann Wasser mit überschüssiger Wärme verdampfen und kondensieren, wodurch der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt wird.
Jun Chen und Kollegen haben ein intelligentes thermogalvanisches Hydrogel entwickelt, das überschüssige Wärme in Strom umwandeln und Wasser verdampfen kann, um eine effiziente Kühlung zu erreichen. Ein solches Hydrogel nimmt selbstständig Wasser aus der Umgebung auf und wird vollständig wiederhergestellt, und die Wissenschaftler konnten die Verdunstungs- und Kondensationsrate über die Dicke des Hydrogels und die Konzentration von Lithiumbromid variieren. Sie testeten die Leistung eines solchen Hydrogels an einem Smartphone-Akku und verzeichneten eine Abkühlung von 20 Grad Celsius im Vergleich zu einem Akku ohne Hydrogel.
Schematische Darstellung des Betriebsalgorithmus eines thermogalvanischen Kühlelements
Das Aussehen des Hydrogels nach zehnstündiger Exposition bei Raumbedingungen
Chemiker behandelten Acrylamidmoleküle mit ultraviolettem Licht und hielten sie dann in einer Lösung aus 0,1 Mol Kaliumhexacyanoferrat (III und II) und 5,4 Mol Lithiumbromid, bis das Polymer vollständig gequollen war. Ein Paar Hexacyanoferrate - eine klassische Redoxreaktion zwischen Eisen in den Oxidationsstufen +2 und +3- ist für den thermogalvanischen Effekt verantwortlich, und Lithiumbromid verbessert die Eigenschaften des Hydrogels, Wasser aus der Umgebung aufzunehmen. Nach thermogravimetrischen Daten reduziert sich die Masse des Hydrogels beim Verdampfen von Wasser auf 40,4 Prozent der ursprünglichen Masse.
Entwicklung der Hydrogelmasse in Abhängigkeit von der Temperatur: Verdunstung und Rehydratisierung des Hydrogels
Zyklische Experimente zur Verdampfung und Rehydratisierung von Wasser in einem Hydrogel
Anders als herkömmliche Hydrogele verlor das neue thermogalvanische Hydrogel kein Wasser und blieb bei Raumtemperatur stabil – nach zehnstündiger Einwirkung bei 25 Grad Celsius und 70 Prozent Luftfeuchtigkeit blieb die Probenmasse praktisch unverändert. Diese Stabilität wird durch das Vorhandensein von Lithiumbromid bereitgestellt, das den Druck von gesättigtem Wasserdampf im Hydrogel senkt. Bei einer Lithiumbromid-Konzentration von 5,4 Mol beträgt der Druck des gesättigten Wasserdampfs im Hydrogel 2,22 Kilopascal (ungefähr 0,02 Atmosphären), wodurch unter solchen Bedingungen kein Wasser aus dem Hydrogel verdampft. Trotzdem kann Wasser verdunsten und bei steigender Temperatur adaptiv in das Hydrogel zurückkehren – bereits bei 50 Grad Celsius verliert das Hydrogel bis zu 40 Prozent seiner Masse durch Wasserverdunstung und nimmt es dann beim Abkühlen auf 25 Grad Celsius wieder auf aus der Umwelt in sechs Stunden.
Um die thermogalvanische Fähigkeit des Hydrogels zu untersuchen, erzeugten Chemiker einen Temperaturunterschied zwischen Titanelektroden von 10 und 20 Grad und erhielten eine Stromdichte von 0,24 bzw. 0,48 Ampere pro Quadratmeter. Der thermoelektrochemische Seebeck-Koeffizient beträgt 1,2 Millivolt pro Kelvin, was dem Wert des Lösungskoeffizienten von Kaliumhexacyanoferraten sehr nahe kommt. Die Leistung eines thermogalvanischen Hydrogels liegt im Bereich von sechs bis zwölf Mikrowatt pro Meter pro Kelvin zum Quadrat. Dies ist etwas niedriger als die Werte der besten thermogalvanischen Zellen, was die Autoren durch eine Abnahme der Mobilität von Ionen im Hydrogel erklären. Nach Meinung der Autoren des Artikels kann die Leistung durch den Einsatz von Aerogel-Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen anstelle von Titan-Elektroden erhöht werden. Bei der Verdampfung und Sorption von Wasser behielt das Hydrogel trotz der Temperaturabhängigkeit des Wassergehalts im Hydrogel seine thermoelektrischen Eigenschaften bei.
Installationsschema für Batteriekühlung im Einsatz
Um den praktischen Nutzen eines solchen Hydrogels zu testen, applizierten Chemiker eine thermogalvanische Zelle mit einer zwei Millimeter dicken Hydrogelschicht auf einen Lithium-Ionen-Smartphone-Akku mit einer Kapazität von fünftausend Milliamperestunden. Sie verwendeten ein Titannetz als Außenelektrode zur besseren Verdunstung und zwischen Batterie und Hydrogel wurde eine Titanfolie gelegt. Bei einer Umgebungstemperatur von 26 Grad Celsius und einer Luftfeuchtigkeit von 80 Prozent analysierten die Wissenschaftler vergleichend die Batterietemperaturen bei unterschiedlichen Entladeströmen: acht, neun, zehn und elf Ampere. Das Hydrogel senkte die Temperatur der Batterie um 6, 5, 13, 2, 15, 7 bzw. 20 Grad Celsius. Gleichzeitig erzeugte die thermogalvanische Zelle einen elektrischen Strom, bestenfalls bei einer Entladerate von elf Ampere wurde eine Spannung von 14,5 Millivolt bei einem Strom von 1,4 Milliampere erhalten, was der Erzeugung einer Nutzleistung von fünf Milliwatt.
Links - Batterietemperatur versus Betriebszeit bei unterschiedlichen Entladeströmen, rechts - Rehydrationszeit in Abhängigkeit vom Entladestrom
Hydrogele werden nicht nur in thermovoltaischen Zellen verwendet. Vor zwei Jahren verwendeten amerikanische Materialwissenschaftler Hydrogel als solarbetriebenen Wasserdampfkonverter. So können Sie an einem Tag bis zu 23 Liter Frischwasser aus einem Quadratmeter Oberfläche gewinnen.
