Aktuelle Forschung an Pseudokondensatoren

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Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) beschäftigen sich intensiv mit Pseudokondensatoren. Sie sollen die hohe Speicherkapazität von Akkus liefern und sich gleichzeitig so schnell laden lassen wie ein Superkondensator.

Schnelles Laden beschädigt Akkus

Fahrer von Elektroautos möchten, dass ihr Fahrzeug möglichst schnell aufgeladen wird. Das Problem ist jedoch: Die Elektrodenmaterialien in Batterien leiden unter zu schnellen Ladevorgängen. Ihre Lebensdauer wird dadurch stark verkürzt.

Ganz anders sieht es dagegen bei Superkondensatoren aus, sie können innerhalb von Sekunden aufgeladen werden. Denn ihr Speichermechanismus funktioniert anders: Statt wie Batterien die Ionen in Kristallgitter einzubauen, lagern sie diese nur an der sehr großen Oberfläche von Aktivkohle an. Was gut für die Ladefähigkeit ist, ist jedoch schlecht für die Speicherkapazität. Superkondensatoren können viel weniger Energie speichern als Batterien.

Pseudokondensatoren: Der Schlüssel sind 2D-Materialien in der Elektrode

Sogenannte Pseudokondensatoren sollen die Vorteile beider Speichertypen vereinen. Diese elektrochemischen Energie­speicher verhalten sich elektrisch wie ein Kondensator, speichern Energie aber wie eine Batterie. Um diese besondere Eigenschaft zu erreichen, nutzen die Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien 2D-Materialien als Elektroden.

Wie Dr. Simon Fleischmann, ehemaliger INM-Mitarbeiter und heutiger Nachwuchsgruppenleiter am Helmholtz-Institut Ulm erklärt, ist das Besondere an 2D-Materialien ihr flexibler Zwischen­schicht­raum. „Durch eine gezielte Einstellung der Netz­ebenen­abstände im Bereich um einen Nanometer können wir interes­sante Nanoeffekte im Confinement beobachten“, so Fleischmann.

Das heißt, dass sich die Ionen und Elektrolyte, in denen die Ionen transportiert werden, in kleinen Nanoräumen anders verhalten als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Wenn Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektroden­gitters passend aufeinander abgestimmt sind, beobachten Forscher eine deutlich höhere Energie­speicher­kapazität und Schnell­lade­fähig­keit.

Die strikte Trennung zwischen Batterie und Kondensator aufheben

Bisher wurde der Speichermechanismus von Pseudo­konden­satoren entweder Konden­satoren oder Batterien zugeordnet. Forscher betrachten Batterien und Kondensatoren seit Jahrzehnten als zwei unterschiedliche Speichertypen. Die aktuelle Forschungsarbeit eines internationalen Forscherteams der North Carolina State University hat jedoch ein verein­heit­lichendes Konzept dargelegt. Der Vorschlag: Alle elektrochemischen Energiespeichermechanismen befinden sich irgendwo auf einem Kontinuum zwischen den Mechanismen von Batterien und denen von Kondensatoren.

Volker Presser, Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM, ordnet dies so ein: „Wir sehen einen kontinuierlichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batterie­materialien bis hin zu idealer Aktivkohle. Es ist wichtig, diesen graduellen Übergang von Elektro­sorption bis hin zur Inter­kalation als Spektrum zu verstehen. Je nach Größe und Geometrie des Nanoraums werden Ionen teilweise ihre Elektrolyt­hülle abstreifen und können Redox-Prozesse durch­laufen“, erklärt Presser.

Damit sei man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schicht­struktu­rierten Metall­oxiden, erklärt wiederum Simon Fleischmann. „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.“

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