TU Graz testet nachhaltigen hybriden Superkondensator

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An der TU Graz haben Forschende eine neue, vielversprechende Variante eines hybriden Superkondensators untersucht. Er kann sehr viel Energie speichern und vereint somit die Vorteile von Batterie und Kondensator. Der hybride Superkondensator könnte als günstiger stationärer Stromspeicher eingesetzt werden.

Die Unterschiede zwischen Batterien und Superkondensatoren

Superkondensatoren lassen sich blitzschnell laden, können aber noch nicht so viel Energie speichern wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. Das ist bei hybriden Superkondensatoren anders, sie vereinen das Beste aus beiden Welten: Sie lassen sich ähnlich schnell laden wie Kondensatoren und speichern dabei annähernd so viel Energie wie Batterien. Außerdem hält ein Superkondensator rund eine Million Ladezyklen durch, während Lithium-Ionen-Batterien bisher nur einige Tausend schaffen.

Der hybride Superkondensator der TU Graz

An der TU Graz haben Forschende nun eine besonders nachhaltige Variante eines hybriden Superkondensators untersucht. Dieser hat eine positive Batterieelektrode und eine negative Superkondensatorelektrode aus nanoporösem Kohlenstoff. Der Elektrolyt ist wässriges Natriumiodid (NaI), also Salzwasser. „Damit ist dieses System besonders umweltfreundlich, kostengünstig, unbrennbar und einfach zu recyceln“, erklärt Christian Prehal, der Erstautor der Studie. Über die Ergebnisse haben die Forschenden im Wissenschaftsjournal Nature Communications berichtet.

Dort beschreiben sie, wie die Energiespeicherung in diesem hybriden Superkondensator funktioniert. Über Röntgenkleinwinkelstreuung und Raman-Spektroskopie konnten sie zeigen, dass beim Aufladen in den Kohlenstoffnanoporen der Batterieelektrode feste Iod-Nanopartikel entstehen. Diese lösen sich bei der Entladung wieder auf. Diese Erkenntnis hat weitreichende Konsequenzen, berichten die Forschenden. Denn sie widerspricht dem bislang vermuteten Reaktionsmechanismus und ermöglicht eine viel höhere Energiedichte.

„Ungeahnt hohe Energiespeicherkapazität“

„Nur auf Grund der Kleinheit der Nanoporen von weniger als 1 Nanometer – das heißt 1 Millionstel Millimeter – bleibt das feste Iod stabil. Der Füllgrad mit festem Iod bestimmt dabei, wieviel Energie in der Elektrode gespeichert werden kann. Damit kann die Energiespeicherkapazität der Iod-Kohlenstoffelektroden ungeahnt hohe Werte erreichen, indem sämtliche chemische Energie in den festen Iodpartikeln gespeichert wird“, erklärt Christian Prehal.

Günstige Alternative zu heutigen Heimspeichern

Diese Ergebnisse ermöglichen jetzt Wege zu hybriden Superkondensatoren oder Batterieelektroden mit weitaus höherer Energiedichte bei äußerst schnellen Lade- und Entladevorgängen, teilte die TU Graz mit. Mit gezielten Verbesserungen könnten sie eine nicht entflammbare, kostengünstige und nachhaltige Alternative für heutige stationäre Stromspeicher auf Lithium-Ionen-Batterien werden. Vor allem für Solarenergie, die in privaten Haushalten erzeugt wird, könne das eine attraktive Option sein, heißt es.

Durchbruch bei der Untersuchungsmethode

Die Forschenden berichten noch über einen weiteren Durchbruch: Sie nutzten die Raman-Spektroskopie, die über Wechselwirkung von Licht mit Materie einen Einblick in den Aufbau oder die Eigenschaften eines Materials ermöglicht. Über Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS; small-angle x-ray scattering) werden außerdem strukturelle Veränderungen während elektrochemischer Reaktionen sichtbar. Diese beiden Methoden wurden operando, also live beim Laden und Entladen in einer eigens entwickelten elektrochemischen Zelle eingesetzt sowie erstmals an einem hybriden Superkondensator mit wässrigem NaI-Elektrolyt. Diese neue Untersuchungsmethode könnte im Bereich elektrochemischer Energiespeicher künftig breit eingesetzt werden.

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