Durchbruch bei Energiespeicherung Superkondensatoren mit hoher Energie- und Leistungsdichte

Superkondensatoren haben zwar eine hohe Leistungs-, aber keine hohe Energiedichte – d.h. die Speicherfähigkeit ist begrenzt. Chinesische Wissenschaftler haben einen neuartigen Ansatz für einen Superkondensator mit „atmender“ Elektrode aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer um Klassen besseren Energiedichte entwickelt.

Superkondensatoren sind Stromspeicher, die Akkus ergänzen oder teilweise auch ersetzen können. Sie liefern sehr hohe Stromstärken in sehr kurzen Zeitspannen (hohe Leistungsdichte). Allerdings ist ihre Laufzeit nur sehr kurz (geringe Energiedichte). Moderne elektrische Energiespeicher aber sollen beides vereinen. Leider gehen Ansätze zur Erhöhung der Energiedichte bisher immer auf Kosten der Leistungsdichte – ein Hemmschuh für den Einsatz von Superkondensatoren.

Ein Team von der East China University of Science and Technology (Shanghai, China) und der University of Oxford (UK) um Long Chen, Cheng Lian, Xiangwen Gao und Chunzhong Li ist jetzt dabei, diese Herausforderung zu meistern. Ihre Ergebnisse haben sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Superkondensatoren mit „atmender“ Elektrode

Inspiration war eine kleine Eidechse, die bei ihren Tauchgängen in einer Luftblase unter Wasser atmet: Anolis leben an Land, tauchen aber zur Nahrungssuche ab. Dazu nehmen sie eine Luftblase mit, die fest an einer Schuppenschicht am Kopf haftet. Unter Wasser atmen sie in diese Blase immer wieder ein und aus.

Auch die neu entwickelte Elektrode aus porösen Kohlenstoffmaterialien (am günstigsten waren mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen mit ca. 3 nm großen Poren) kann eine Gasschicht festhalten, wenn sie in eine Kochsalzlösung als Elektrolyt getaucht wird. Verwendet wird allerdings nicht Luft, sondern Chlorgas.

Beim Laden und Entladen findet an dieser Elektrode zusätzlich zu den bei Superkondensatoren üblichen Ladungsverschiebungen eine Redoxreaktion statt: Beim Laden überträgt die Elektrode Elektronen auf das Chlorgas und reduziert Chlor zu Chlorid-Ionen, die in Lösung gehen – die Elektrode „atmet aus“. Beim Entladen werden Chlorid-Ionen wieder zu Chlor oxidiert, das Gas in den Poren der Elektrode zurückbildet – die Elektrode „atmet ein“.

Drastisch erhöhte Energiedichte, extrem hohe Leistungsdichte

Mithilfe verschiedener analytischer Verfahren zeigte das Team, dass kein Chlorgas aus der Elektrode entweicht. Durch die sehr rasch ablaufende Reduktion/Oxidation und den schnellen Massetransfer in der dünnen Gasschicht wird die Energiedichte des Superkondensators drastisch erhöht, während die extrem hohe Leistungsdichte erhalten bleibt. Die Kapazität bleibt auch nach Tausenden von Zyklen nahezu unverändert hoch, so die Wissenschaftler.(kr)

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