Begrenzte Sicherheit, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit sind neben beschränkt verfügbarer Ausgangsmaterialien (z. B. Kobalt) zentrale Nachteile der heutigen Lithium-Ionen-Batterietechnologie. Auf der Suche nach alternativen elektrochemischen Energiespeichern für den Einsatz in der E-Mobilität sowie für die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen ist eine Kombination aus Batterie und Kondensator vielversprechend: Der «hybride Superkondensator». Er kann ähnlich schnell geladen und entladen werden wie ein Kondensator und dabei annähernd so viel Energie speichern wie herkömmliche Batterien. Zusätzlich kann er deutlich schneller und viel häufiger geladen und entladen werden – während eine Lithium-Ionen-Batterie im günstigsten Fall eine Lebensdauer von wenigen tausend Zyklen erreicht, schafft ein Superkondensator rund eine Million Ladezyklen.
Aussichtsreiche Ergebnisse einer unerforschten Variante
Eine besonders nachhaltige, bislang aber recht unerforschte Variante eines solchen hybriden Superkondensators besteht aus Kohlenstoff und wässrigem Natriumiodid (NaI) Elektrolyten, mit einer positiven Batterieelektrode und einer negativen Superkondensatorelektrode. Wie genau die elektrochemische Energiespeicherung in diesem Superkondensator funktioniert und was in den nanometergrossen Poren der Kohlenstoffelektrode passiert, haben Forschende der TU Graz nun näher untersucht und ihre aussichtsreichen Ergebnisse aktuell im wissenschaftlichen Journal Nature Communcations 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», führt Christian Prehal aus. Er ist Erstautor der Studie und hat kürzlich vom Institut für Chemische Technologie für Materialien der TU Graz an die ETH Zürich gewechselt.
Neue Wege zu hypriden Superkondensatoren
Mit Hilfe von Röntgenkleinwinkelstreuung und Raman-Spektroskopie konnten die Forscher erstmals zeigen, dass in den Kohlenstoffnanoporen der Batterieelektrode während der Ladung feste Iod-Nanopartikel entstehen, die sich bei der Entladung wieder auflösen. Das wiederspricht dem bislang vermuteten Reaktionsmechanismus und hat weitreichende Konsequenzen, wie Christian Prehal erklärt: «Nur auf Grund der Kleinheit der Nanoporen von weniger als 1 Nanometer - d.h. 1 Millionstel Millimeter - bleibt das feste Iod stabil. 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 eröffnet Wege zu hybriden Superkondensatoren oder Batterieelektroden mit unvergleichlich höherer Energiedichte bei äusserst schnellen Lade- und Entladevorgängen. Hybride Superkondensatoren können nun mit gezielten Verbesserungen in die Anwendung gebracht werden: als sichere, nicht entflammbare, kostengünstige und nachhaltige Alternative für die Speicherung elektrischer Energie.
Baldige Revolution in der Elektrofliegerei?
Eine andere keramische Kondensator-Batterie-Variante kann bei geringerer Grösse deutlich mehr Elektrizität speichern als gegenwärtige chemikalienbasierte Lithium-Batterien. Dies ist auf einen mehrschichtigen Kondensator mit einem keramischen di-elektrischen Nichtleiter zurückzuführen. Mehrere Kondensatoren ergeben hintereinandergeschaltet eine leichte Batterie, die nicht durch chemische Reaktionsgeschwindigkeiten begrenzt ist. Die Entwickler sind sicher: Elektrische Autos lassen sich dann innerhalb weniger Minuten «volltanken».
In England am Londonner UltraCap Ltdf. wurde ein Prototyp entwickelt, der verglichen mit dem im Tesla eingebauten Akku nur ganze 20 kg wiegt. Serienreife Muster könnten schon bald die gesamte Elektrofliegerei revolutionieren.
Immerhin decken sich viele Angaben auch aus dem Hause Tesla, die ebenfalls von Superbatterien, die leistungsfähiger und wesentlich billiger sein werden, sprechen. Ein Segen dann für die Aviatik.
