Stromspeicher aus Zellulose – leichte Superkondensatoren für Elektroautos

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stromspeicher-zellulose-elektroautosWas sind schnelle Stromspeicher aus Zelluloseschaum?

Ein großes Problem von Batteriespeichern ist nicht nur die mangelnde Kapazität, sondern das hohe Eigengewicht. Gerade bei der Elektromobilität ist es aber wichtig, leichte und leistungsfähige Batterie-Speichersysteme zu verwenden. Die ersten Elektroautos wurden noch mit schweren Blei-Säure-Batterien ausgestattet. In heutiger Zeit setzt man auf moderne Lithium-Ionen-Batterien. Aber auch diese benötigen immer noch viel Platz in einem Elektroauto. Interessant ist die Verwendung von so genannten Superkondensatoren (Powercaps). Momentan können Sie herkömmliche Batteriesysteme aber noch nicht ersetzen, da ihre Speicherkapazität nur für einen sehr kurzen Zeitraum ausreicht. Dennoch bieten diese Power Caps entscheidende Vorteile.

Bekanntermaßen können Superkondensatoren den gespeicherten Strom sehr schnell abgeben und auch wieder aufgeladen werden. Sie können in kürzester Zeit wesentlich mehr Leistung bereitstellen als herkömmliche Batterien. Sie sind daher ideal geeignet für die kurzen Beschleunigungsphasen von Elektroautos. Bisher war die Herstellung jedoch nicht einfach. Wissenschaftler nutzen für die Herstellung leichter Superkondensatoren nun einen porösen Schaum aus nanostrukturierter Zellulose. Wie die Fachzeitschrift Advanced Materials berichtet, ist es möglich, dieses federleichte Material nachhaltig aus Strohabfällen oder Holz zu gewinnen.

Zellulose ist ein nachwachsender Rohstoff

Emily Cranston von der McMaster University in Hamilton nahe Toronto erklärt, dass Zellulose ein nachwachsender Rohstoff ist und daher ideal geeignet für eine grüne und hochentwickelte Technik. Gemeinsam mit ihren Kollegen nutzt Cranston das nanostrukturierte Zellulosematerial, welches mit seinem porösen Aufbau nur etwa 5 mg pro Kubikzentimeter wiegt. Interessant ist, dass diese winzigen Zellulosenanokristalle sich in einer wässrigen Flüssigkeit mit elektrisch leitfähigen Substanzen aus Polypyrrolfasern, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Nanoteilchen aus Mangandioxid mischen. Die vielen Wasserstoffbrückenbindungen verknüpfen die winzigen Partikel in der Zellulose.

Nach einer Gefriertrocknung erhält man den Superkondensator

Diese Zellulosemischung haben die Forscher auf -4°C eingefroren. Hierbei wurde die Porösität dank wachsender Eiskristalle weiter erhöht. Man spricht hier auch von einer so genannten Gefriertrocknung. Dabei entsteht ein elektrisch leitfähiger und sehr leichter Schaum. Das Material nennt sich nun Aerogel und kann auf seine Eignung für einen Superkondensator mit möglichst hoher Ladedichte geprüft werden. Hierfür pressen die Wissenschaftler zwei kleine Schaumblöcke, die durch eine Membran getrennt sind, in eine münzgroße Knopfzelle. Erstaunlicherweise konnte diese innerhalb von wenigen Sekunden eine enorme elektrische Ladung von bis zu 2,5 Coulomb pro Gramm aufnehmen und wieder abgeben. Interessant ist auch, dass der Zelluloseschaum mit Manganoxidnanopartikeln eine sehr hohe Zyklenfestigkeit aufweist und auch nach mehr als 2.000 Ladezyklen nur wenige Prozent seiner Speicherkapazität verliert.

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Sehr leichte Superkondensatoren werden auch aus metallischen Schäumen gefertigt

Superkondensatoren mit einer hohen Dichte, die besonders leicht sind, werden aus metallischen Schäumen gefertigt. Diese werden beispielsweise aus Nickel hergestellt. Von daher ist es nun möglich, durch Zelluloseschäume sehr leichte Kurzzeitstromspeicher zu fertigen. Der Schaum ist sehr flexibel und lässt sich in beliebige Formen pressen. Auf diese Weise können die neuen Superkondensatoren besonders elegant in einem Elektroauto integriert werden. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse könnten auch die Forscher vom Batterieforschungszentrum der Universität Münster interessieren, da diese ebenfalls an Superkondensatoren arbeiten. Ziel der Forscher ist es, eine hohe Energiedichte von bis zu 10 Wh/kg und gleichzeitig eine sehr hohe Zyklenfestigkeit zu erreichen. Wir dürfen gespannt sein, wie sich diese Entwicklungen fortsetzen werden.

Bildquelle: © Dieter Schütz / pixelio – www.pixelio.de

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