Superkondensatoren brauchen eine Elektrolytschicht, die entweder flüssig, fest oder irgendwo dazwischen sein kann. Einem Team, bestehend aus Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und weiteren Forschungseinrichtungen, konnte jetzt eine neuartige Flüssigkeitsklasse entwickeln, mit der sich nach Ansicht der Wissenschaftler die Effizienz und Stabilität von Superkondensatoren verbessern und zugleich die Entflammbarkeit verringern lässt.

Auf molekularer Ebene ordnen sich die Moleküle in einer Art Sandwich an, was ein Overscreening verhindert.

Auf molekularer Ebene ordnen sich die Moleküle in einer Art Sandwich an, was ein Overscreening verhindert. MIT Massachusetts Institute of Technology

Ionische Flüssigkeiten sind bereits seit Jahrzehnten bekannt, dabei handelt es sich im wesentlichem um flüssige oder geschmolzene Salze. Das Forscherteam kombinierte diese jetzt mit einem Tensid, was dazu führte, dass die Materialien jetzt über „sehr neue und seltsame Eigenschaften“ verfügen. „Es ist schwer vorstellbar, dass sich so eine viskose Flüssigkeit zur Energiespeicherung nutzen lässt“, erklärt Xianwen Mao, Lead Author des Projektes. „Sobald wir die Temperatur erhöhten, stellten wir fest, dass sie mehr Energie speichern kann, mehr als viele andere Elektrolyte.“

Überraschend sei das nicht, denn bei anderen ionischen Flüssigkeiten nimmt mit steigender Temperatur die Viskosität ab und die Energiespeicherkapazität zu. In diesem Fall ist es aber so, dass die Viskosität hoch bleibt, während die Kapazität mit steigender Temperatur sehr schnell zunimmt. Das führt dazu, dass das Material eine Gesamtenergiedichte erhält, die über der vieler konventioneller Elektrolyte liegt. Zugleich bietet es größere Stabilität und erhöhte Sicherheit.

Der Schlüssel zu seiner Wirksamkeit liegt in der Art und Weise, wie sich die Moleküle in der Flüssigkeit automatisch ausrichten und in einem geschichteten Aufbau auf der Metallelektrodenoberfläche enden. Die Moleküle richten sich mit den Köpfen nach außen zur Elektrode oder von ihr weg und bilden eine Art Sandwich. Dies wird als selbstorganisierende Nanostruktur bezeichnet.

Diese hoch geordnete Struktur trägt dazu bei, das sogenannte Overscreening zu verhindern, das bei anderen ionischen Flüssigkeiten auftreten kann. Dabei enthält die erste Schicht mehr Ionen, als es entsprechende Ladungen auf der Oberfläche gibt. Dies kann zu einer verstreuten Verteilung der Ionen oder zu einem dickeren Ionenmultilayer und damit zu einem Effizienzverlust bei der Energiespeicherung führen.

Die neue Materialklasse, die die Forscher SAIL (surface-active ionic liquids) nennen, könnte nach Mao eine Vielzahl von Anwendungen für die Hochtemperatur-Energiespeicherung haben. „Das Material könnte dazu beitragen, die Leistung von Superkondensatoren zu verbessern“, sagt Mao. „Die Verwendung des neuen Materials anstelle eines herkömmlichen Elektrolyten in einem Superkondensator könnte seine Energiedichte um den Faktor vier oder fünf erhöhen“. Außerdem ist es nach Ansicht von Mao auch möglich, dass Superkondensatoren mit dem neuen Elektrolyten sogar mehr Energie speichern als Batterien können.