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Batterie und Kondensator

Das Beste aus beiden Welten miteinander verbinden

18. März 2022, 11:54 Uhr | Kathrin Veigel

Einbau von Kationen in den Zwischenschicht-Nanoraum des 2D-Materials MXen

Superkondensatoren und Batterien sind Energiespeichertypen mit unterschiedlichen Vorteilen. Während Batterien mit hohen Speicherkapazitäten punkten, überzeugt bei Superkondensatoren die kurze Ladezeit. Ob sich die Vorteile aus beiden Welten verbinden lassen, untersuchen jetzt HIU- und INM-Forscher.

Zeit ist ein kostbares Gut. Dies gilt insbesondere für elektrochemische Energiespeicher: der fast leere Handy-Akku kurz vor Verlassen des Hauses oder das E-Auto, das noch ein paar Stunden an der Steckdose bleiben muss, bevor man zum Verwandtenbesuch aufbrechen kann. In solchen Fällen wünscht man sich möglichst kurze Aufladezeiten.

Schnelle Lade- und Entladeprozesse sind jedoch für die Elektrodenmaterialien in Batterien extrem belastend und verkürzen deren Lebensdauer. Superkondensatoren haben dieses Problem nicht: Anders als in Batterien werden hier keine Ionen in Kristallgitter eingebaut, sondern nur an der enorm großen Oberfläche von Aktivkohle angelagert. Damit speichern sie zwar deutlich weniger Energie als Batterien, es reichen aber wenige Sekunden aus, um die Zelle wieder zu laden.

Um das Beste aus beiden Welten miteinander zu verbinden, forscht die Wissenschaft intensiv an sogenannten Pseudokondensatoren. Dies sind elektrochemische Energiespeicher, die sich elektrisch wie ein Kondensator verhalten und damit besonders schnell geladen werden können. Ihr Energiespeichermechanismus hingegen funktioniert wie bei einer Batterie: Energie wird durch Ioneneinlagerung in Kristallgittern gespeichert. Diese besonderen Eigenschaften können häufig durch den Einsatz von 2D-Materialien als Elektroden erreicht werden.

»Das Besondere an 2D-Materialien ist ihr flexibler Zwischenschichtraum. Durch eine gezielte Einstellung der Netzebenenabstände im Bereich um 1 Nanometer können wir interessante Nanoeffekte im so genannten Confinement beobachten«, erklärt Dr. Simon Fleischmann, ehemaliger Mitarbeiter des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) und Doktorand der Universität des Saarlandes sowie heute Nachwuchsgruppenleiter am Helmholtz-Institut Ulm (HIU).

Damit gemeint ist, dass sich Ionen und Elektrolyte, die man zum Ionentransport benötigt, in so kleinen Nanoräumen ganz anders verhalten als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Das richtige Matching von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters kann eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazität und Schnellladefähigkeit ermöglichen.

Der Speichermechanismus der Pseudokondensatoren wurde bislang entweder Kondensatoren oder Batterien zugeordnet. Die aktuelle Forschungsarbeit eines internationalen Teams unter Leitung von Prof. Veronica Augustyn von der North Carolina State University hat nun ein vereinheitlichendes Konzept hierzu etabliert.

»Wir sehen einen kontinuierlichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batteriematerialien bis hin zu idealer Aktivkohle«, so Volker Presser, Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM. Es sei 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. Womit man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schichtstrukturierten Metalloxiden ist.

»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«, ergänzt Simon Fleischmann.

Näheres zu der hier beschriebenen Forschung findet sich in dem Perspective Paper »Continuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes« in der aktuellen Ausgabe von Nature Energy.