Superkondensatoren: Verbesserte Leistung dank neuartigem Elektrolyt

US-Forschern ist es gelungen, eine neue Elektrolytklasse für Batterien zu entwickeln. Eine neuartige Flüssigkeit könnte helfen, die Leistung und Haltbarkeit von Superkondensatoren zu steigern. Die Forscher sind damit dem Ziel einen Schritt nähergekommen, herkömmliche Batterien irgendwann durch leistungsfähige Super-Caps zu ersetzen.

Wie der neue Elektrolyt die Leistung von Superkondensatoren verbessert

Superkondensatoren brauchen einen Elektrolyten, um Strom speichern zu können. Diese leitende Schicht kann fest oder flüssig oder etwas dazwischen sein. Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt zusammen mit anderen Forschungsinstituten eine neue Flüssigkeit entwickelt, die die Energiedichte von Superkondensatoren erhöhen kann.

Seit Jahrzehnten kennen Forscher sogenannte ionische Flüssigkeiten, also quasi gelöste Salze. Das US-Forscherteam hat diesen Flüssigkeiten nun eine Art Tensid hinzugefügt. Das ist der Stoff, der etwa zur Zersetzung von Ölteppichen auf dem Meer eingesetzt wird. Die mit diesem Stoff versetzten ionischen Flüssigkeiten entwickelten nun “sehr neue und seltsame Eigenschaften“, berichten die Forscher im Magazin Nature Materials. Unter anderem wurde die Flüssigkeit hoch viskos.

Es sei schwer vorstellbar, dass sich diese viskose Flüssigkeit zur Energiespeicherung nutzen lässt, schreiben die Forscher. „Doch wenn wir die Temperatur erhöhen, kann sie mehr Energie speichern, und zwar mehr als viele andere Elektrolyte.“ Das sei zwar nicht völlig überraschend, schreiben die Forscher weiter, denn auch bei anderen ionischen Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur zu und die Speicherfähigkeit steigt. In diesem Fall ist es aber so, dass sich die Speicherkapazität mit steigender Temperatur sehr schnell erhöht. Dadurch bekommt das Material eine höhere Energiedichte als viele konventionelle Elektrolyte, es kann also auf gleichem Raum mehr Energie speichern. Zusätzlich sind Haltbarkeit und Sicherheit höher.

Das Geheimnis ist die Anordnung der Moleküle

Die Erklärung liegt in der Ausrichtung der Moleküle in der Flüssigkeit, die sich schichtweise an der Metallelektrode ablagern. Die Moleküle, die an einem Ende eine Art Schwanz haben, richten sich mit den Köpfen nach außen zur Elektrode hin oder von ihr weg aus. Die Schwänze bündeln sich in der Mitte und bilden eine Art Sandwich. Dies bezeichnet man als selbstorganisierende Nanostruktur.

“Der Grund, warum sich die neue Flüssigkeit so anders verhält als herkömmliche Elektrolyte ist, dass sich die Moleküle von selbst zu einer geordneten, schichtartigen Struktur anordnen, wo sie mit einem anderen Material in Kontakt kommen – wie etwa der Elektrode in einem Superkondensator“, erklärt Professor T. Alan Hatton, einer der Autoren des Forschungsberichts. „Es bildet sich eine sehr interessante, sandwich-artige, zweilagige Struktur.“

Diese Struktur wiederum hilft, das Phänomen des „Overscreening“ zu verhindern. Dieses Phänomen kann in anderen ionischen Flüssigkeiten auftreten, wenn die erste Ionenschicht (die elektrisch geladenen Atome oder Moleküle), die sich an der Oberfläche der Elektrode sammelt, mehr Ionen enthält als es entsprechende Ladungen auf der Elektrode gibt. Das kann dazu führen, dass sich die Ionen ungleichmäßiger verteilen oder sich mehrere Ionenschichten übereinander bilden. Dadurch verschlechtert sich die Effizienz bei der Energiespeicherung. „In unserem Fall konzentrieren sich die Ladungen in der obersten Schicht, wegen der Art und Weise, wie alles angeordnet ist“, erklärt Professor Hatton.

Gut geeignet für Energiespeicher in sehr heißen Umgebungen

Diese neue Materialklasse, die die Forscher SAILS nennen (surface-active ionic liquids), kommen für mehrere Anwendungen in der Energiespeicherung bei hohen Temperaturen in Frage. Zum Beispiel in sehr heißen Umgebungen wie bei der Ölförderung oder in Chemiefabriken, schreiben die Wissenschaftler: „Unser Elektrolyt ist bei hohen Temperaturen sehr sicher und sogar leistungsfähiger.“ Die Elektrolyte konventioneller Lithium-Ionen-Batterien sind dagegen teilweise leicht entflammbar.

Vier- bis fünfmal höhere Energiedichte für Superkondensatoren

Das Material könnte auch die Leistung von Supercaps verbessern: Dieser Batterietyp wird manchmal eingesetzt, um konventionelle Batterien zu unterstützen und für einen extra Energieschub zu sorgen. Der neue Elektrolyt könnte die Energiedichte von Superkondensatoren vier- oder fünfmal erhöhen. In Zukunft könnten Superkondensatoren damit unter Umständen statt Batterien in Elektroautos, in elektronischen Geräten oder großen Energiespeichern eingesetzt werden. Das Forscherteam am MIT wird nun zunächst weiter am neuen Elektrolyten forschen und seine Möglichkeiten weiter ausloten.

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