TU Graz forscht an hybridem Superkondensator

Forschende an der TU Graz haben die Energiespeicherung in einem bisher recht unerforschten hybriden Superkondensator untersucht – eine Kombination aus Batterie und Superkondensator, die die Vorteile beider Technologien vereinen soll. Die Details hierzu wurden nun im wissenschaftlichen Journal Nature Communcations veröffentlicht.

Bei hybriden Superkondensatoren handelt es sich allgemein um eine Kombination aus Batterie und Kondensator – also einer chemischen und einer kapazitiven Energiespeicherung. Bei dem speziellen Superkondensator, den die Forschenden in Österreich untersucht haben, handelt es sich um eine „besonders nachhaltige“ Variante, die aus Kohlenstoff und wässrigem Natriumiodid-Elektrolyten besteht – und bisher wenig erforscht ist.

Die Anode stammt aus einer Batterie, die Kathode ist eine Superkondensator-Elektrode. Der hybride Superkondensator soll ähnlich schnell geladen und entladen werden wie ein Kondensator und dabei annähernd so viel Energie speichern wie herkömmliche Batterien. Zusätzlich soll er laut der Mitteilung der TU Graz „deutlich schneller und viel häufiger geladen und entladen werden“. Statt wenigen tausend Zyklen einer LiIon-Batterie sprechen die Forschenden von rund einer Million Zyklen.

„Das von uns eingehend betrachtete System besteht aus nanoporösen Kohlenstoffelektroden und einem wässrigen Natriumiodid-Elektrolyten, sprich aus Salzwasser“, sagt der Erstautor der Studie, Christian Prehal. „Damit ist dieses System besonders umweltfreundlich, kostengünstig, unbrennbar und einfach zu recyceln.“ Prehal hat lange Zeit am Institut für Chemische Technologie für Materialien der TU Graz an dem Thema gearbeitet und ist kürzlich an die ETH Zürich gewechselt.

Die Forscher konnten nach eigenen Angaben erstmals zeigen, dass in den Kohlenstoffnanoporen der Batterieelektrode während der Ladung feste Iod-Nanopartikel entstehen, die sich bei der Entladung wieder auflösen. Das widerspreche laut Prehal dem bislang vermuteten Reaktionsmechanismus – mit weitreichenden Konsequenzen. „Nur auf Grund der Kleinheit der Nanoporen von weniger als 1 Nanometer – d.h. 1 Millionstel Millimeter – bleibt das feste Iod stabil“, so der Forscher. „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.“

Dieses neue grundlegende Wissen eröffne Wege zu „hybriden Superkondensatoren oder Batterieelektroden mit unvergleichlich höherer Energiedichte bei äußerst schnellen Lade- und Entladevorgängen“. Als Einsatzbeispiel wird in der Mitteilung die Energie aus Photovoltaik in privaten Haushalten genannt.

Zudem geben die Forschenden an, einen weiteren Durchbruch erzielt zu haben, und zwar in Bezug auf die verwendeten Untersuchungsmethoden: Bei der Raman-Spektroskopie wird die Wechselwirkung von Licht mit Materie genutzt, um Einblick in den Aufbau oder die Eigenschaften eines Materials zu bekommen. Die Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS; small-angle x-ray scattering) macht strukturelle Veränderungen während elektrochemischer Reaktionen sichtbar. Beide Methoden fanden operando statt, das heißt, live während des Ladens- und Entladens einer eigens dafür entwickelten elektrochemischen Zelle. Die Ergebnisse der Arbeit hätten gezeigt, dass die Methode „bestens geeignet“ sei, um strukturelle Änderungen in einem Superkondensator oder einer Batterie auf der Nanometerskala und direkt während des Ladens und Entladens live zu verfolgen. Diese neue Untersuchungsmethode könnte daher künftig breiten Einsatz im Bereich elektrochemischer Energiespeicher finden, so die TU Graz.
tugraz.at, nature.com