Faszination Technik Wie in kurzer Zeit viel Energie gespeichert werden kann

Quelle: Leibniz-INM / Redakteur: Dorothee Quitter

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein elektrochemischer Energiespeicher, der die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren vereint.

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Einbau von Kationen in den Zwischenschicht-Nanoraum des 2D-Materials MXen. Das richtige „matching“ von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters kann eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit ermöglichen.
Einbau von Kationen in den Zwischenschicht-Nanoraum des 2D-Materials MXen. Das richtige „matching“ von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters kann eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit ermöglichen.
(Bild: INM / Volker Presser)

Ausdauernde Energiespeicher, die sich schnell laden lassen – das ist das Forschungsziel für die Elektromobilität. Die bestehenden Energiespeichertypen können nur eines von beiden: Während Batterien hohe Speicherkapazitäten besitzen, haben Superkondensatoren eine kurzer Ladezeit. Hintergrund: Schnelle Lade- und Entladeprozesse sind für die Elektrodenmaterialien in Batterien extrem belastend und verkürzen deren Lebensdauer. Superkondensatoren haben dieses Problem nicht. Hier werden keine Ionen in Kristallgitter eingebaut, sondern nur an der enorm großen Oberfläche von Aktivkohle angelagert. Damit speichern sie zwar deutlich weniger Energie als Batterien, es reichen aber wenige Sekunden aus, um die Zelle wieder zu laden.

Elektrische Doppelschicht soll Energie speichern

Um das Beste aus beiden Welten miteinander zu verbinden, forschen Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) an sogenannten Pseudokondensatoren. Nach eigenen Angaben sind dies elektrochemische Energiespeicher, die sich elektrisch wie ein Kondensator verhalten und damit besonders schnell geladen werden können. Ihr Energiespeichermechanismus hingegen funktioniere wie bei einer Batterie: Energie wird durch Ioneneinlagerung in Kristallgittern gespeichert. Diese besonderen Eigenschaften könnten durch den Einsatz von 2D-Materialien als Elektroden erreicht werden.

„In nanoskaligen Zwischenräumen des Kristallgitters der schichtstrukturierten Elektrode könnten beide Phänomene gleichzeitig in einem kontinuierlichen Übergang auftreten“, so Dr. Simon Fleischmann vom HIU. „Entscheidend ist dabei der richtige Schichtabstand.“ Ionen und Elektrolyte verhalten sich in so kleinen Nanoräumen ganz anders als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Das richtige „matching“ von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters kann eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit ermöglichen. „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“, ergänzt Simon Fleischmann.

Kontinuierlicher Übergang der Materialien

Der Speichermechanismus der Pseudokondensatoren wurde bislang entweder Kondensatoren oder Batterien zugeordnet. Die aktuelle Forschungsarbeit sieht jetzt einen kontinuierlichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batteriematerialien bis hin zu idealer Aktivkohle. Es sei wichtig, diesen graduellen Übergang von Elektrosorption bis hin zur Interkalation als Spektrum zu verstehen, heißt es.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Nature Energy

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