Neue Einblicke in das Innere von Superkondensatoren

Superkondensatoren sind Energiespeicher, die herkömmlichen Akkus überall dort den Rang ablaufen, wo besonders hohe elektrische Leistungen gefragt sind. In einer Zusammenarbeit mehrerer österreichischer und einer deutschen Forschungsgruppe ist es nun gelungen, die Vorgänge im Inneren solcher Speicherzellen im Detail zu ergründen, wie die Wissenschafter im Fachjournal "Nature Energy" berichten.

Ultraschnelle Ladung

Die Speicherung elektrischer Energie stellt nach wie vor einen Flaschenhals dar, der die nachhaltige Nutzung grüner Technologien behindert - vor allem wenn es darum geht, große Mengen anfallender Energie schnell aufzunehmen und bei Bedarf genau so schnell wieder abzugeben. Gängige Akkus können zwar große Mengen an Energie in einem relativ kleinen Volumen speichern, brauchen aber für viele Anwendungen zu lange für das Be- und Entladen.

Eine mögliche Alternative sind sogenannte Superkondensatoren. Im Gegensatz zu den trägen chemischen Prozessen von Akkus basieren sie auf schnellen, rein physikalischen Abläufen. Dabei werden in einer Lösung befindliche Ionen, also elektrisch geladene Atome, von einer Elektrode angezogen und so die Energie gespeichert. Um Platz für möglichst viele Ionen zu bieten, bestehen die Elektroden aus hochporösem Kohlenstoff. Würde man die gesamte innere Oberfläche eines Gramms dieses Materials auf einer ebenen Fläche ausrollen, dann entspräche dies etwa der Fläche eines halben Fußballfeldes.

Obwohl Superkondensatoren bereits erfolgreich etwa zur Rückgewinnung von Bremsenergie in Elektroautos oder für oberleitungslose Straßenbahnen eingesetzt werden, haben sie einen entscheidenden Nachteil: Im Vergleich zu Akkus können sie im gleichen Volumen nur etwa ein Zehntel der Energie speichern. Das liegt nicht zuletzt auch daran, dass über die genauen Vorgänge im Inneren der Elektroden noch relativ wenig bekannt ist.

Verhalten von Ionen

Hier könnte die aktuelle Studie, an der auch Forscher der Technischen Universität Graz und der Universität Wien beteiligt waren, nun Abhilfe schaffen. Mithilfe von Röntgenexperimenten, durchgeführt am ELETTRA Synchrotron in Triest, und aufwendigen Computersimulationen gelang es den Wissenschaftern, das Verhalten der Ionen im Inneren der Elektroden während des Lade- bzw. Entladevorgangs genau zu untersuchen.

"Einerseits sucht jedes Ion nach einer kleinen Nische nur für sich selbst, was für enge Poren spricht, um möglichst vielen Ionen Platz zu bieten", erklärt Oskar Paris, Vorstand des Instituts für Physik an der Montanuniversität Leoben und einer der Autoren der Studie gegenüber der APA. "Andererseits sollen sie möglichst schnell dort hin und auch wieder von dort weg gelangen - wofür wiederum breite Kanäle besser geeignet sind." Es gehe also um ein Abwägen zwischen Menge und Geschwindigkeit.

Da diese Vorgänge dank der neuen Methode nun im Detail analysiert werden können, sollte es Paris zufolge in Zukunft möglich sein, die innere Struktur der Elektroden für bestimmte Anwendungen zu optimieren und so die Effizienz von Superkondensatoren weiter zu verbessern.