Leistungsstarker Stromspeicher: „Atmender“ Superkondensator erreicht eine hohe Energiedichte

Superkondensatoren sind sozusagen die „Sprinter“ unter den Stromspeichern. Mit ihrer hohen Leistungsdichte können sie innerhalb von kurzer Zeit hohe Stromstärken liefern. Aus diesem Grund werden sie gerne zum Ausgleich kurzzeitiger Stromausfälle oder auch Verbrauchsspitzen eingesetzt. Mögliche Einsatzorte solcher Superkondensatoren sind Krankenhäuser, Rechenzentrum oder auch sensible Elektrogeräte. Auf „langer Strecke“ offenbaren sie allerdings Schwächen. Sie können sich zwar nahezu beliebig oft entladen und wieder aufladen, haben aber eine geringe Energiedichte, sodass sie ihre Leistung nicht lange aufrecht erhalten können. Forscher:innen aus China gelang es nun, einen Superkondensator zu konstruieren, dessen Energiedichte deutlich höher liegt als bei vergleichbaren Kondensatoren. So kann die Leistung auch entsprechend länger aufrecht gehalten werden.

Vorbild aus der Natur

Die Forschungsgruppe rund um Xiatong Fan von der Universität Ostchinas hat das Dilemma zwischen hoher Leistungsdichte und geringer Energiedichte bei Superkonsatoren angenommen. Heraus kam ein Kondensator, dessen Energiedichte gleich um mehrere Größenordnungen höher liegt als allgemein üblich, ohne dass dabei Abstriche in Sachen Leistungsdichte gemacht werden mussten. Inspiriert wurde das System eine Eidechsenart namens Anolis. Diese kann tauchen um nach Nahrung zu suchen. Dabei atmen die Tiere, indem sie sich eine mitgenommene Luftblase rund um ihren Kopf zunutze machen.

Ganz ähnlich arbeitet auch die Kathode des neuentwickelten Superkondensators. Ihre mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben drei Nanometer große Poren, die eine Gasschicht festhalten können. Wenn diese Elektrode in eine Kochsalzulösung als flüssiger Elektrolyt getaucht wird, bleibt die sie umgebende Gasschicht erhalten und ermöglicht zusätzlich zu den Ladungsverschiebungen, die in jedem Superkondensator ablaufen, eine zusätzliche Redoxredaktion.

Atmende Kathode

Bei dem Gas, das an den Kathoden verwendet wird, handelt es sich um Chlorgas. Wenn das System aufgeladen wird, werden Elektronen von der Elektrode auf das Chlor übertragen, was es zu Chlorid-Ionen reduziert. Diese lösen sich dann im Kochsalzelektrolyt, was einem „ausatmen“ des Systems entspricht. Wenn sich der Superkondensator wieder entlädt, werden die Chlorid-Ionen wieder zu Chlor oxidiert, die Gasschicht in den Poren der Kathode füllt sich dabei wieder auf, sie „atmet ein“.

In ersten Tests kamen die Forscher:innen zu dem Ergebnis, dass diese schnell ablaufende Redoxreaktion sowie der Massetransfer in der dünnen Gasschicht zu einer erheblichen Steigerung der Energiedichte beiträgt. „Der atmende Superkondensator mit mehrwandigen Kohlenstoffröhrchen als Kathode und einer Zinkanode kann 53 Wattstunden an spezifischer Energie pro Kilogramm speichern„, schreibt das Team. Damit läge ihr Superkondensator mehrere Größenordnungen über gängigen Systemen.

Sicher trotz giftigen Chlorgases

Trotz dieser erhöhten Energiedichte kann der Superkondensator nach Angaben der Forscher:innen eine hohe Leistungsdichte von 50.000 Watt pro Kilogramm erreichen. Zudem verlor er auch nach mehr als 30.000 Ladezyklen kaum Kapazität. Das Team sieht daher in solchen „atmenden“ Systemen einen vielversprechenden Ansatz zur Optimierung von Superkondensatoren.

Obwohl Chlorgas giftig ist, stellt das System laut den Wissenschaftler:innen keine Gefahr da. Das Team konnte mithilfe verschiedener analytischer Verfahren zeigen, dass kein Chlorgas aus der Elektrode entweicht.

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