Superkondensatoren und Batterien haben unterschiedliche Stärken. Ein Pseudokondensator soll beides miteinander verbinden.
Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) beschäftigen sich intensiv mit Pseudokondensatoren. Sie sollen die hohe Speicherkapazität von Akkus liefern und sich gleichzeitig so schnell laden lassen wie ein Superkondensator.
Fahrer von Elektroautos möchten, dass ihr Fahrzeug möglichst schnell aufgeladen wird. Das Problem ist jedoch: Die Elektrodenmaterialien in Batterien leiden unter zu schnellen Ladevorgängen. Ihre Lebensdauer wird dadurch stark verkürzt.
Ganz anders sieht es dagegen bei Superkondensatoren aus, sie können innerhalb von Sekunden aufgeladen werden. Denn ihr Speichermechanismus funktioniert anders: Statt wie Batterien die Ionen in Kristallgitter einzubauen, lagern sie diese nur an der sehr großen Oberfläche von Aktivkohle an. Was gut für die Ladefähigkeit ist, ist jedoch schlecht für die Speicherkapazität. Superkondensatoren können viel weniger Energie speichern als Batterien.
Sogenannte Pseudokondensatoren sollen die Vorteile beider Speichertypen vereinen. Diese elektrochemischen Energiespeicher verhalten sich elektrisch wie ein Kondensator, speichern Energie aber wie eine Batterie. Um diese besondere Eigenschaft zu erreichen, nutzen die Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien 2D-Materialien als Elektroden.
Wie Dr. Simon Fleischmann, ehemaliger INM-Mitarbeiter und heutiger Nachwuchsgruppenleiter am Helmholtz-Institut Ulm erklärt, ist das Besondere an 2D-Materialien ihr flexibler Zwischenschichtraum. „Durch eine gezielte Einstellung der Netzebenenabstände im Bereich um einen Nanometer können wir interessante Nanoeffekte im Confinement beobachten“, so Fleischmann.
Das heißt, dass sich die Ionen und Elektrolyte, in denen die Ionen transportiert werden, in kleinen Nanoräumen anders verhalten als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Wenn Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters passend aufeinander abgestimmt sind, beobachten Forscher eine deutlich höhere Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit.
Bisher wurde der Speichermechanismus von Pseudokondensatoren entweder Kondensatoren oder Batterien zugeordnet. Forscher betrachten Batterien und Kondensatoren seit Jahrzehnten als zwei unterschiedliche Speichertypen. Die aktuelle Forschungsarbeit eines internationalen Forscherteams der North Carolina State University hat jedoch ein vereinheitlichendes Konzept dargelegt. Der Vorschlag: Alle elektrochemischen Energiespeichermechanismen befinden sich irgendwo auf einem Kontinuum zwischen den Mechanismen von Batterien und denen von Kondensatoren.
Volker Presser, Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM, ordnet dies so ein: „Wir sehen einen kontinuierlichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batteriematerialien bis hin zu idealer Aktivkohle. Es ist wichtig, diesen graduellen Übergang von Elektrosorption bis hin zur Interkalation als Spektrum zu verstehen. Je nach Größe und Geometrie des Nanoraums werden Ionen teilweise ihre Elektrolythülle abstreifen und können Redox-Prozesse durchlaufen“, erklärt Presser.
Damit sei man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schichtstrukturierten Metalloxiden, erklärt wiederum Simon Fleischmann. „Gerade der Zwischenschichtraum von 2D-Materialien ist eine großartige Spielwiese für uns in der Materialwissenschaft. Hier können wir mittels gezieltem Materialdesign schnellen Ionentransport und hohe Energiespeicherkapazität durch reversible Redox-Prozesse kombinieren.“
Quellen / Weiterlesen Hohe Speicherkapazität und kurze Ladezeit – Die Nanowelt zwischen Batterie und Kondensator eröffnet neue Perspektiven | INM Wie funktioniert ein Pseudokondensator? | Springer Professional Batterien und Superkondensatoren überbrücken – ScienceDaily | Gamingsym Germany Das Beste aus der Nanowelt zwischen Akku und Kondensator | Elektronik Praxis Continuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes | nature energy Hohe Speicherkapazität und kurze Ladezeit | pro-physik Hohe Speicherkapazität und kurze Ladezeit | Chemie Bildquelle: © INM / Volker Presser
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