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v.li.: Harald Fitzek, Christian Prehal und Qamar Abbas © TU Graz/Lunghammer
v.li.: Harald Fitzek, Christian Prehal und Qamar Abbas © TU Graz/Lunghammer

APA

Neue Einblicke ins Innere von umweltfreundlichen Superkondensatoren

08.10.2020

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 36/2020 und nicht zwingend tagesaktuell

Hohe Speicherdichte und leistungsstark: So wünscht sich die Industrie künftige Energiespeicher für den Einsatz in E-Autos oder auch zur Bevorratung von erneuerbarer Energie. Einen Speicher, der die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren vereint, haben Forscher der TU Graz getestet. Dabei ist es ihnen gelungen, die Vorgänge im Inneren der laut eigenen Angaben besonders nachhaltigen Variante des hybriden Superkondensators zu ergründen, teilte die TU mit.

Sowohl Batterien als auch Superkondensatoren speichern Energie und können sie wieder gezielt freigeben. Für viele Anwendungen sind allerdings beide nicht optimal: Eine Batterie kann zwar viel Energie aufnehmen und lange speichern, benötigt aber lange Ladezeiten, hat eine begrenzte Lebensdauer und die Zahl der Ladezyklen ist beschränkt. Superkondensatoren dagegen laden die Energie flott und können die Energie sekundenschnell leistungsstark abgeben - allerdings ist ihre Energiespeicherkapazität gering. In E-Autos finden sich daher aktuell oftmals verschiedene Batterietypen gemeinsam mit Superkondensatoren. Notwendig wäre ein Hybrid, der hohe Energiedichte wie bei der Batterie und hohe Leistung von Supercaps, wie sie auch genannt werden, in sich vereint.

Unbekannte Vorgänge im Inneren

Die Forscher vom Institut für chemische Technologie von Materialien in Graz haben einen Blick ins Innere einer aus ihrer Sicht nachhaltigen, aber bisher recht unerforschten Variante eines hybriden Superkondensators geworfen. Er besteht aus Kohlenstoff und wässrigem Natriumiodid-Elektrolyten mit einer Batterieelektrode und einer negativen Superkondensatorenelektrode. Über die genauen Vorgänge im Inneren der Elektroden war noch relativ wenig bekannt.

Mithilfe von Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) und Raman-Spektroskopie hat die Gruppe untersucht, wie die elektrochemische Energiespeicherung in diesem Supercap funktioniert und vor allem, was in den nanometergroßen Poren der Kohlenstoffelektrode direkt während des Lade- bzw. Entladevorganges passiert. Die Ergebnisse ihrer Versuche am FELMI-Zentrum für Elektronenmikroskopie in Graz wurden im wissenschaftlichen Fachjournal "Nature Communications" veröffentlicht.

"Das von uns eingehend betrachtete System besteht aus nanoporösen Kohlenstoffelektroden und einem wässrigen Natriumiodid-Elektrolyten, sprich aus Salzwasser. Damit ist dieses System besonders umweltfreundlich, kostengünstig, unbrennbar und einfach zu recyceln", berichtete Christian Prehal. Er ist Erstautor der Studie und wechselte erst kürzlich von der Grazer TU an die ETH Zürich.

Die Forscher erkannten, dass während der Ladung in den Kohlenstoffnanoporen der Batterieelektrode feste Iod-Nanopartikel entstehen. Bei der Entladung lösen sie sich wieder auf. "Der Füllgrad der Nanoporen mit festem Iod bestimmt, wie viel 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."

"Unvergleichlich höhere Energiedichte"

Die neuen Erkenntnisse über die strukturellen Veränderungen im Bereich der Nanometerskala seien ein Schritt auf dem Weg zu hybriden Superkondensatoren oder Batterieelektroden mit "unvergleichlich höherer Energiedichte bei äußerst schnellen Lade- und Entladevorgängen", hieß es vonseiten der Forscher. Derartige Hybridkondensatoren werden von Qamar Abbas, derzeit Lise-Meitner-Stipendiat des FWF am Grazer Institut für Chemische Technologie von Materialien und weiterer Hauptautor der Studie, seit einigen Jahren untersucht und weiterentwickelt.

Service: Ch. Prehal, H. Fitzek, G. Kothleitner, St. Freunberger & Q. Abbas et al.: "Persistent and reversible solid iodine electrodeposition in nanoporous carbons". Nature Communications, 2020. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18610-6

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