Dem Geheimnis der Super-Kondensatoren auf der Spur

Super-Kondensatoren sind - ergänzend zu Batterien - Speichersysteme für elektrische Energie. Sie bestehen aus zwei in einer ionischen Lösung schwimmenden Kohlenstoffelektroden, von der eine positiv und eine negativ geladen ist.

Dank ihrer Fähigkeit zur schnellen Auf– und Entladung können sie für Anwendungen in der Luftfahrttechnik wie beispielsweise bei der Öffnung der Notausgänge im A380 und im Automobilbereich bei der Rückgewinnung von Bremsenergie interessante Leistungsspitzen erreichen.

Durch die Adsorption von Ionen auf den Elektrodenoberflächen wird Strom gespeichert. Dieser Mechanismus wurde von einem Forscherteam um Mathieu Salanne, Wissenschaftler am Labor für physikalische Chemie der Elektrolyte, Kolloiden und analytische Wissenschaften (PESCA), in Zusammenarbeit mit dem universitätsübergreifenden Zentrum für Forschung und Materialwesen (CIRIMAT) und den Universitäten Oxford und Drexel in Philadelphia, auf molekularer Ebene beschrieben und zum ersten Mal mit numerischen Simulationen quantitativ abgebildet.

Dazu haben die Forscher zwei Elektrodentypen mit unterschiedlichem Aufbau realitätsnah modelliert: ebene Elektroden aus Graphit und aus nanoporösem Kohlenstoff. Sie haben beobachtet, dass sich die ionische Lösung auf einer ebenen Graphit-Fläche in Schichten anordnet. Während der Kondensatoraufladung polarisieren sich diese Schichten durch eine relative Bewegung der entgegengesetzt geladenen Ionen. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Ionen führt die Polarisation der übereinanderliegenden Schichten zu einer sogenannten »Über-Abschirmung« und somit zu einer geringeren Speicherkapazität.

Im Gegensatz dazu kann sich die ionische Flüssigkeit bei nanoporösem Kohlenstoff nicht in Schichten ablagern, wodurch der Über-Abschirmungs-Effekt verhindert wird. Die in der Elektrode gespeicherte Ladung wird in diesem Fall durch einen Ionenaustausch mit der Lösung ausgeglichen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die dreidimensionale Struktur des nanoporösen Kohlenstoffs mehr Energie speichern kann.

Diese Erkenntnisse zu den Lademechanismen auf molekularer Ebene sind für die Entwicklung von Super-Kondensatoren von großer Bedeutung.