Neue Erkenntnisse ebnen Weg zu umweltfreundlichen Superkondensatoren

Begrenzte Sicherheit, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit sind neben beschränkt verfügbarer Ausgangsmaterialien wie zum Beispiel 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“, heißt es in dem Bericht der TU Graz. 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 eine Lebensdauer von wenigen tausend Zyklen erreicht, schafft ein Superkondensator rund eine Million Ladezyklen. Eine besonders nachhaltige, bislang aber ziemlich 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 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“, so Christian Prehal. Er ist Erstautor der Studie und kürzlich vom Institut für Chemische Technologie für Materialien der TU Graz an die ETH Zürich gewechselt. 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, so Prehal: „Nur auf Grund der Kleinheit der Nanoporen von weniger als 1 Nanometer - das heißt 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.