Forscher entwickeln Doppelschichtkondensatoren als Alternative zu herkömmlichen Batterien. Darin lässt sich der Strom in Sekundenschnelle speichern und nahezu verlustfrei und beliebig oft wieder abrufen.
Moderne Energiespeicher, die herkömmliche Batterien, Akkus oder Schwungräder deutlich übertreffen, müssen mehrere Bedingungen erfüllen: Sie müssen kostengünstig in der Herstellung sein, viel Energie auf möglichst kleinem Raum speichern, und sie müssen sich schnell und häufig ohne Verschleiß beladen und entladen lassen. „Doppelschichtkondensatoren bieten viele dieser Vorteile“, erklärt Volker Presser, Leiter der Nachwuchsforschungsgruppe Energie-Materialien am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien. Man findet sie heute schon in modernen Stadtbussen in Shanghai, in Notstromaggregaten des Airbus A380 oder in alltäglichen Akkuschraubern.
Dass in Doppelschichtkondensatoren schnell Energie gespeichert werden kann, liegt am elektrochemischen Speicherprinzip: Ionen in einem flüssigen Elektrolyten werden an je eine positiv und eine negativ geladene Elektrode angelagert, die über eine nicht-leitende Wand, den sogenannten porösen Separator, getrennt sind. Diese elektrochemische Doppelschicht ist in sich ladungsneutral und kann die darin gespeicherte Energie in Sekunden wieder freigeben. Der Stromfluss sowohl zum Beladen als auch zum Entladen erfolgt durch Stromabnehmer an diesen Elektroden.
Je mehr positive und negative Ladungen sich anhäufen und je höher die angelegte Spannung ist, umso mehr Energie kann gespeichert werden. Deshalb ist es wichtig, Elektroden mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche herzustellen: Besteht sie zum Beispiel aus 5 g Aktivkohle ,hat die Elektrode eine innere Oberfläche von einem Fußballfeld.
Aber diese Fläche reicht noch nicht aus. Mineraloge Presser erklärt: „Diese sogenannte Energiedichte können wir noch steigern, wenn wir die Struktur des Materials und die Materialzusammensetzung verändern.“ Im Forschungsprojekt „nanoEES3D“ werden die Forscher deshalb ganz genau betrachten, wie sie das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Poren von Hochleistungskohlenstoffen für den schnellen Transport von Ionen verbessern können. Im Fokus der Forscher stehen dabei hochporöse Kohlenstoffe in Kombination mit Elektrolyten aus redoxaktiven Metalloxidnanopartikeln. „Solche Hybridmaterialien können als so genannte Pseudokondensatoren über zehnfach höhere Energiemengen speichern, als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren“, erklärt der Nachwuchsforscher. „Hier müssen wir allerdings vorsichtig sein, denn damit können wir zwar mehr Energie speichern, allerdings oft auf Kosten der Langlebigkeit und Reaktionsschnelle solcher Speicher.“
Am Ende des fünfjährigen Forschungsprojektes sollen neue Materialkonzepte und Synthesewege für hochoptimierte Speicherzellen zur Verfügung stehen. Das BMBF fördert das Forschungsvorhaben mit rund drei Millionen Euro.
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