Flüssige Salze als Energiespeicher

24.07.2008: Im DFG-Schwerpunktprogramm Ionische Flüssigkeiten, an dem auch die Universität Leipzig beteiligt ist, klärten Wissenschaftler jetzt die Ursache einiger Eigenschaften der "flüssigen Salze". Mit diesen Kenntnissen könnten aus Ionischen Flüssigkeiten zukünftig auch umweltverträgliche Lösungsmittel oder Kurzzeit-Energiespeicher hergestellt werden.

Ionische Flüssigkeiten sind einzigartig. Sie bestehen ausschließlich aus Ionen und sind so eigentlich "flüssige Salze", ganz ohne in einer Substanz wie Wasser gelöst zu sein. Sie verblüffen mit ganz außergewöhnlichen Eigenschaften: Sie sind hitzebeständig, kaum entzündlich, flüssig bereits unter 100 Grad Celsius, elektrisch gut leitfähig und damit hochinteressant für viele Technologien, wie z.B. Brennstoffzellen, Kondensatoren und Batterien. Aber auch als elektroelastische Werkstoffe und umweltschonende Lösungsmittel könnten sie genutzt werden, sobald ihre Eigenschaften grundlegend erforscht sind.

Dem Verständnis der ganz besonderen Materialklasse sind die Wissenschaftler jetzt etwas näher gekommen, unter anderem durch computergestützte Analysen und experimentelle Arbeiten. Die Wissenschaftler um Prof. Barbara Kirchner, Theoretische Chemie, an der Universität Leipzig konnten die Ursache des niedrigen Schmelzpunktes aufklären: Sie zeigten, dass durch das Wechselspiel der Kräfte zwischen den Molekülen die Ionen leichter ihre Gleichgewichtslage verlassen können und so der flüssige Zustand erreicht wird. Für die weiteren Eigenschaften von IF wurden aber auch mathematische Modelle entwickelt: Neben der Implementierung eines Verfahrens zur Beschreibung relativistischer Effekte (Douglas-Kroll-Hess-Methode) in ein first-principles Molekulardynamik Programm, wurde auch die Entwicklung eines Modells zur Bestimmung thermodynamischer Größen (Quantum-Cluster-Equilibrium Methode) vorangetrieben. Weitere Analysen der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Friedrich Kremer, Molekülphysik, am Institut für Experimentelle Physik I der Universität Leipzig, konzentrieren sich auf das Wechselspiel zwischen der glasartigen Dynamik und dem Ladungstransport in Ionischen Flüssigkeiten. Dabei entdeckten die Forscher Skalierungsgesetze, die über mehr als 10 Größenordungen in der Frequenz gültig sind und damit auf einen universellen Mechanismus der Leitfähigkeit hinweisen. Das könnte der Schlüssel für ganz neue Anwendungen von Ionischen Flüssigkeiten als Kurzzeit-Energiespeicher oder als Medium in Brennstoffzellen sein. Die gewonnen Erkenntnisse sollten aber auch ein ganz gezieltes Design neuer aufgabenspezifischer Lösungsmittel ermöglichen.

Trotz der erzielten Erkenntnisse liegt der Ursprung mancher Eigenschaften von Ionischen Flüssigkeiten - sie wurden im 19. Jahrhundert erstmals durch Paul Walden, der an Universität Leipzig promovierte, untersucht - noch immer im Dunkeln. Das DFG-Schwerpunktprogramm "Ionische Flüssigkeiten SPP-1191" geht deshalb in seine zweite Runde. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert es seit drei Jahren und verlängert jetzt die Förderung bis 2010. Im Projekt arbeiten experimentelle und theoretische Chemiker und Physiker aber auch Ingenieure und Techniker Hand in Hand.