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Ein „atmender“ Superkondensator

Redoxreaktion an einer Gasschicht erhöht Energiedichte der leistungsstarken Stromspeicher

Kathode
Die Kathode des "atmenden" Superkondensators besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Chlorgas festhalten. Dieses ermöglicht chemische Reaktionen, die zusätzliche Energie bringen. © Wiley-VCH

Von Eidechsen inspiriert: Forscher haben einen Superkondensator entwickelt, der länger Strom liefern kann als bisherige Modelle. Möglich wird dies dank einer „atmenden“ Elektrode: Redoxreaktionen an ihrer Gasschicht liefern zusätzliche Energie und erhöhen die Energiedichte des Superkondensators um mehrere Größenordnungen, wie das Team berichtet. Trotzdem bleibt die für Superkondensatoren übliche hohe Leistungsdichte und Haltbarkeit bestehen.

Superkondensatoren sind die „Sprinter“ unter den Stromspeichern: Sie haben eine hohe Leistungsdichte und können daher in kurzer Zeit hohe Stromstärken liefern. Sie werden deshalb oft eingesetzt, um kurzzeitige Stromausfälle oder Verbrauchsspitzen auszugleichen, beispielsweise in Krankenhäusern, Rechenzentren oder sensiblen Elektrogeräten. Sie lassen sich aber auch als Stromspeicher in Steinplatten, Ziegelsteine oder sogar Textilien integrieren. Mit Bremsenergie aufladbare Superkondensatoren helfen Fahrzeugen zudem, Strom zu sparen.

Allerdings haben die Superkondensatoren auch einen erheblichen Nachteil: Sie sind schlechte „Langstreckenläufer“. Zwar kann man sie fast unendlich oft entladen und wieder aufladen, wegen ihrer geringen Energiedichte können diese Stromspeicher ihre Leistung aber nicht lange aufrechterhalten. Bisherige Versuche, die Energiedichte und damit Ausdauer der Superkondensatoren zu erhöhen, gingen jedoch auf Kosten ihrer Leistung.

Tauchende Anolis-Echsen als Inspiration

Eine mögliche Lösung für dieses Dilemma könnten nun Xiaotong Fan von der Universität Ostchinas und seine Kollegen gefunden haben. Sie haben einen Superkondensator entwickelt, dessen Energiedichte um mehrere Größenordnungen höher liegt als üblich, ohne dass dieses zu Lasten der Leistungsdichte geht. Inspiration für ihr System waren kleine Anolis-Eidechsen. Diese können zur Nahrungssuche tauchen und atmen dabei mithilfe einer unter Wasser mitgenommenen Luftblase um ihren Kopf.

Auf ähnliche Weise „atmet“ auch die Kathode des neuentwickelten Superkondensators. Sie besteht aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, deren rund drei Nanometer große Poren eine Gasschicht festhalten können. Taucht man diese Elektrode in eine Kochsalzlösung als flüssigem Elektrolyt, bleibt diese Gasschicht erhalten. Sie ermöglicht zusätzlich zu den bei Superkondensatoren üblichen Ladungsverschiebungen eine Redoxreaktion.

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Vom Gas in Lösung und zurück

Als „Atemgas“ und Rohstoff für die Redoxreaktion verwendet der neuartige Superkondensator Chlorgas. Wird das System aufgeladen, überträgt die Elektrode Elektronen auf das Chlor und reduziert es zu Chlorid-Ionen, die sich im Kochsalzelektrolyt lösen – der Kondensator „atmet aus“. Beim Entladen werden Chlorid-Ionen wieder zu Chlor oxidiert und die Gasschicht in den Poren der Kathode füllt sich wieder auf – die Elektrode „atmet ein“.

Wie Tests ergaben, trägt diese schnell ablaufende Redoxreaktion und der Massetransfer in der dünnen Gasschicht zu einer erheblichen Steigerung der Energiedichte bei: „Der atmende Superkondensator mit mehrwandigen Kohlenstoffröhrchen als Kathode und einer Zinkanode kann 53 Wattstunden an spezifischer Energie pro Kilogramm speichern“, berichten Fan und sein Team. Das sei mehrere Größenordnungen höher als für gängige Superkondensatoren üblich.

Leistungsdichte und Haltbarkeit bleiben

Dennoch behält dieser Superkondensator nach Angaben der Forscher eine hohe Leistungsdichte von 50.000 Watt pro Kilogramm und verlor in den Tests auch nach mehr als 30.000 Ladezyklen kaum an Kapazität. Fan und seine Kollegen sehen in solchen atmenden Systemen daher einen vielversprechenden Ansatz für optimierte Superkondensatoren.

Wie sie betonen, stellt ihr System trotz des giftigen Chlorgases aber keine Gefahr dar: Mithilfe verschiedener analytischer Verfahren zeigte das Team, dass kein Chlorgas aus der Elektrode entweicht. (Angewandte Chemie International Edition, 2022; doi: 10.1002/anie.202215342)

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker

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