Supercaps 2.0 speichern viermal mehr Energie

Mit maschinellem Lernen zum Superkondensator (Illustration: Tao Wang, ornl.gov)

Oak Ridge/Riverside (pte004/24.11.2023/06:15) - Mit einem neuen Elektrodenmaterial lassen sich Superkondensatoren, sogenannte "Supercaps", bauen, die viermal mehr elektrische Energie speichern als die besten Systeme, die kommerziell erhältlich sind. Das Kunststück ist Chemikern am Oak Ridge National Laboratory ( https://www.ornl.gov ) (ORNL) gelungen. "Wir haben unsere Erfahrung und maschinelles Lernen kombiniert, um das bestmögliche Material zu identifizieren", so Tao Wang vom ORNL, der auch an der University of Tennessee ( https://www.utk.edu ) arbeitet. "Das ist ein echter Meilenstein", freut sich sein Amtskollege Sheng Dai.

Neuronales Netzwerk aus Kalifornien

Die Vorarbeit haben Runtong Pan, Musen Zhou und Jianzhong Wu von der University of California Riverside ( https://www.ucr.edu ) geleistet. Sie entwickelten ein künstliches neuronales Netzwerkmodell und trainierten es, um ein klares Ziel zu erreichen: ein "Traummaterial" für die Energiespeicherung. Das Modell hat vorausgesagt, dass die höchste Kapazität einer Kohlenstoffelektrode 570 Farad pro Gramm betragen würde, wenn sie mit Sauerstoff und Stickstoff dotiert würde. Wang und Dai entwickelten daraufhin einen extrem porösen dotierten Kohlenstoff, der riesige Oberflächen für elektrochemische Grenzflächenreaktionen bereitstellte.

Die Chemiker machten den Kohlenstoff in diesem porösen Gerüst durch Aktivierung noch aufnahmebereiter für elektrische Energie. Sie hatten zuvor ein Verfahren entwickelt, mit dem dieser Prozess bei einer Temperatur von 600 statt wie sonst üblich bei 800 Grad Celsius abläuft. Das machte sich bezahlt. Das Material kam daraufhin auf 611 Farad pro Gramm, mehr als prognostiziert. Die Oberfläche des Materials gehörte zu den größten, die jemals für kohlenstoffhaltige Materialien gemessen wurden. Sie liegt bei mehr als 4.000 Quadratmetern pro Gramm. Entsprechend viel Platz ist für die Einlagerung von Elektronen und ihren Gegenstücken.

Ideales Gemisch von Porengrößen

Entscheidend war auch, dass sich Poren unterschiedlicher Größe bildeten: Mesoporen mit einer Größe zwischen zwei und 50 Nanometern, also Milliardstel Metern, und Nanoporen, die noch kleiner sind. "Wir haben eine Autobahn für den Ionentransport gebaut. Bei Superkondensatoren dreht sich alles um hohe Leistung, schnelles Laden, schnelles Entladen. In dieser Struktur, die Tao und ich entworfen haben, gibt es größere Poren, die man als Autobahn betrachten kann. Diese stehen mit kleineren Straßen, also kleineren Poren in Verbindung", sagt Dai.

Superkondensatoren sind Batterien in manchen Belangen überlegen. Sie lassen sich minutenschnell laden und entladen, und das nahezu unendlich oft. Das macht sie ideal für die Zwischenspeicherung etwa von Bremsenergie bei E-Autos, Bussen und Bahnen. Pro Volumeneinheit speichern Lithium-Ionen-Batterien allerdings weitaus mehr Energie, trotz des jetzigen ORNL-Erfolgs.

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