Unordnung verleiht Supercaps mehr Power

Vision: Straßenbahnen können künftig blitzschnell Strom tanken (Foto: Scitterians, pixabay.com)

Cambridge (pte004/30.04.2024/06:05) - Forscher der University of Cambridge ( https://www.cam.ac.uk/ ) wollen die Power der aktuell von Skeleton in Dresden gebauten leistungsstärksten Kondensatoren der Welt erhöhen. Diese sogenannten Supercaps basieren auf Elektroden aus Graphen. Die britischen Experten haben die Strukturen von Elektroden aus Kohlenstoff - Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die bienenwabenförmig angeordnet sind - untersucht und festgestellt, dass ein gewisses Maß an Unordnung die Kapazität der Kondensatoren verbessert.

Sekundenschnell aufgeladen

Wie Batterien speichern Superkondensatoren Energie, aber diese Supercaps können in Sekundenschnelle aufgeladen werden, während Batterien eher Stunden brauchen. Superkondensatoren sind zudem viel langlebiger als Batterien und können Millionen von Lade- und Entladezyklen überstehen. Wegen ihrer geringen Energiedichte eignen sie sich jedoch nur bedingt für die Bereitstellung von Dauerleistung, wie sie etwa in Verkehrsmitteln benötigt werden. Optimal ist eine Kombination aus Batterie und Supercap, vor allem, wenn der Kondensator eine große Menge an Energie speichern kann.

Die Superkondensatoren, mit denen Busse und Bahnen zusätzlich zu Batterien ausgestattet sind, speichern Bremsenergie. Künftig können sie auch genutzt werden, um an Haltestellen berührungslos aufgeladen zu werden, während Fahrgäste ein- und aussteigen. Das würde für die Fahrt zur nächsten Haltestelle reichen, wenn sie nicht allzu weit entfernt wäre.

Zerknülltes Graphen als Schlüssel

Während eine Batterie chemische Reaktionen nutzt, um Ladung zu speichern und abzugeben, beruht ein Superkondensator auf der Bewegung geladener Moleküle zwischen porösen Kohlenstoffelektroden, die eine ungeordnete Struktur aufweisen sollten, wie Alex Forse meint, Assistenzprofessor für Elektrochemie. "Stellen Sie sich ein Blatt Graphen vor, das eine sehr geordnete chemische Struktur hat. Wenn man dieses Blatt zerknüllt und einen Ball daraus formt, erhält man ein ungeordnetes Durcheinander, das ideal für Elektroden eines Kondensators ist."

Forse und sein Team haben Elektrodenmaterialien mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht. "So haben wir herausgefunden, dass die Energiespeicherkapazität mit der Unordnung der Materialien korreliert - je ungeordneter die Materialien sind, desto mehr Energie können sie speichern", sagt Xinyu Liu, Doktorand, der von Forse und der Chemieprofessorin Clare Grey betreut wird. "Unordnung ist etwas, das schwer zu messen ist. Es war nur dank neuer NMR- und Simulationstechniken möglich." Das Ergebnis: "Die am wenigsten geordneten Materialien hatten eine fast doppelt so hohe Kapazität wie die am stärksten geordneten Materialien", so Forse.

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