Begrenzte Sicherheit, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit sind neben beschränkt verfügbarer Ausgangsmaterialien (beispielsweise 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.

Der hybride Superkondensator aus Kohlenstoff und Salzwasser soll mit gezielten Verbesserungen eine sichere, nicht entflammbare und nachhaltige Alternative für stationäre Energiespeicher sein.

Der hybride Superkondensator aus Kohlenstoff und Salzwasser soll mit gezielten Verbesserungen eine sichere, nicht entflammbare und nachhaltige Alternative für stationäre Energiespeicher sein. TU Graz

Er lässt sich ähnlich schnell laden und entladen wie ein Kondensator und kann 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 eine Lebensdauer von wenigen tausend Zyklen erreicht, schafft ein Superkondensator rund eine Million Ladezyklen.

System aus Kohlenstoff und Salzwasser

Eine besonders nachhaltige, bislang aber recht unerforschte Variante eines solchen hybriden Superkondensators besteht aus Kohlenstoff und wässrigem Natriumiodid-Elektrolyten (NaI) 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 Ergebnisse 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, Erstautor der Studie aus.

Hohe Energiespeicherkapazität

Mithilfe 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 nm 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 Wissen eröffnet Wege zu hybriden Superkondensatoren oder Batterieelektroden mit höherer Energiedichte bei sehr 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 stationäre Speicherung elektrischer Energie. Vor allem für die Speicherung von beispielsweise Energie aus Photovoltaikanlagen in privaten Haushalten kann das eine attraktive Option sein.