Elektrische Leitfähigkeit in Elektrolyten So beeinflussen Moleküle die Leitfähigkeit von Lösungen

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Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Ionen sind in einer Lösung nicht so frei, wie man meinen könnte. Umlagerte Moleküle sperren sie sozusagen in einen Käfig und hindern sie an der Bewegung. Wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung nun gezeigt haben, ist die Leitfähigkeit einer Lösung mit davon abhängig, wie stark die eingesperrten Ionen an ihrem Käfig rütteln, um sich zu befreien. Diese Erkenntnis könnte der Entwicklung besserer Batterien zugutekommen.

Mainz – Löst man Kochsalz in Wasser, können sich die dabei freiwerdenden Natrium- und Chlorid-Ionen im Wasser bewegen: Es entsteht eine Elektrolytlösung. Durch elektrische Spannungen lassen sich die geladenen Teilchen innerhalb der Lösung transportieren und sorgen somit für einen elektrischen Strom. Dies stellt die Basis für die Funktion von Batterien oder die Energiespeicherung in lebenden Zellen dar.

Um Ströme innerhalb von Batterien zu vergrößern ist es notwendig, auch die Anzahl der gelösten Ionen zu erhöhen. Dies führt aber nicht uneingeschränkt zu höheren Strömen. Denn je mehr Ionen im Wasser gelöst sind, desto häufiger stoßen sie gegeneinander, was letztlich zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führt.

Ionen in der Käfig-Schaukel

Um dennoch höhere Ströme in Elektrolytlösungen erreichen zu können, haben nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung um Dr. Johannes Hunger und Dr. Yuki Nagata Elektrolytlösungen sowohl experimentell als auch in Computersimulationen untersucht. In einer Kooperation mit Wissenschaftlern aus Berlin und Graz haben sie hierfür die mikroskopische Bewegung von Ionen analysiert.

Sie haben herausgefunden, dass sich die Ionen nicht sofort frei im Wasser bewegen können. Zunächst werden sie wie in einer Art Käfig von den sie umgebenden Molekülen festgehalten und schwingen innerhalb dieses Käfigs lediglich hin und her, ähnlich wie auf einer Schaukel. Diese ultraschnelle Bewegung, die zwischen 1000 und 10.000 Milliarden Mal pro Sekunde vonstattengeht, haben die Forscher mithilfe von ultrakurzen Laserpulsen analysiert.

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Rätsel um Widerstand von Elektrolyten gelöst

Die Wissenschaftler zeigten mit ihrer Laserspektroskopie, dass die maximale Auslenkung der Ionen – sozusagen die Länge der Kette der Schaukel – eine Aussage darüber erlaubt, wie hoch der später mögliche elektrische Strom ist. Diese experimentellen Erkenntnisse bestätigten sie auch mit Computersimulationen. Somit lösten sie ein über 100 Jahre altes Rätsel: Der Widerstand einer Elektrolytlösung hängt nämlich neben der Anzahl der Ionen auch von deren Größe bzw. Form ab. Mit den neuen Ergebnissen ist nun klar, dass dieser Aspekt des elektrischen Widerstands auf unterschiedliche Käfige und Käfigschwingungen zurückzuführen ist.

Solche molekularen Einblicke in die Bewegung von Ionen sind essenziell, um den Transport von Ladungen in Elektrolyten zu verstehen. Die Experimente zeigen, dass eine Elektrolytlösung umso besser leitet, je stärker die Ionen in ihrem Käfig schwingen. Denn dann können sie leichter daraus ausbrechen.

Originalpublikation: Balos, V.; Imoto, S.; Netz, R. R.; Bonn, M.; Bonthuis, D. J.; Nagata, Y.; Hunger, J.: Macroscopic conductivity of aqueous electrolyte solutions scales with ultrafast microscopic ion motions, Nature Communications 11, 1611 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15450-2

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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