Forschern gelingt neuer Einblick ins Innere von Superkondensatoren

6. März 2017, 18:05
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Neue Methode verspricht anwendungsorientierte Optimierung der inneren Speicherstruktur

Leoben/Wien – Superkondensatoren sind Energiespeicher, die herkömmlichen Akkus überall dort den Rang ablaufen, wo besonders hohe elektrische Leistungen gefragt sind. Einem internationalen Forscherteam mit österreichischer Beteiligung ist es nun gelungen, die Vorgänge im Inneren solcher Speicherzellen im Detail zu ergründen. Die Ergebnisse sind im Fachjournal "Nature Energy" erschienen.

Die Speicherung elektrischer Energie stellt nach wie vor einen Flaschenhals dar, der die nachhaltige Nutzung grüner Technologien behindert – vor allem wenn es darum geht, große Mengen anfallender Energie schnell aufzunehmen und bei Bedarf genau so schnell wieder abzugeben. Gängige Akkus können zwar große Mengen an Energie in einem relativ kleinen Volumen speichern, brauchen aber für viele Anwendungen zu lange für das Be- und Entladen.

Poröse Elektroden

Eine mögliche Alternative sind sogenannte Superkondensatoren. Im Gegensatz zu den trägen chemischen Prozessen von Akkus basieren sie auf schnellen, rein physikalischen Abläufen. Dabei werden in einer Lösung befindliche Ionen, also elektrisch geladene Atome, von einer Elektrode angezogen und so die Energie gespeichert. Um Platz für möglichst viele Ionen zu bieten, bestehen die Elektroden aus hochporösem Kohlenstoff.

Obwohl Superkondensatoren bereits erfolgreich etwa zur Rückgewinnung von Bremsenergie in Elektroautos eingesetzt werden, haben sie einen entscheidenden Nachteil: Im Vergleich zu Akkus können sie im gleichen Volumen nur etwa ein Zehntel der Energie speichern. Das liegt nicht zuletzt auch daran, dass über die genauen Vorgänge im Inneren der Elektroden noch relativ wenig bekannt ist.

Verhaltensstudie an Ionen

Hier könnte die aktuelle Studie nun Abhilfe schaffen. Mithilfe von Röntgenexperimenten und aufwendigen Computersimulationen gelang es den Wissenschaftern, das Verhalten der Ionen im Inneren der Elektroden während des Lade- und Entladevorgangs genau zu untersuchen.

"Einerseits sucht jedes Ion nach einer kleinen Nische nur für sich selbst, was für enge Poren spricht, um möglichst vielen Ionen Platz zu bieten", sagt Oskar Paris von der Montanuniversität Leoben, einer der Autoren der Studie. "Andererseits sollen sie möglichst schnell dort hin und auch wieder von dort weg gelangen – wofür wiederum breite Kanäle besser geeignet sind." Es gehe also um ein Abwägen zwischen Menge und Geschwindigkeit.

Da diese Vorgänge dank der neuen Methode nun im Detail analysiert werden können, sollte es Paris zufolge in Zukunft möglich sein, die innere Struktur der Elektroden für bestimmte Anwendungen zu optimieren und so die Effizienz von Superkondensatoren weiter zu verbessern. (APA, 6.3.2017)

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