Hohe Speicherkapazität und kurze Ladezeit

Superkondensatoren und Batterien sind Energie­speicher­typen mit unter­schied­lichen Vorteilen. Während Batterien mit hohen Speicher­kapazitäten punkten, überzeugt bei den Super­konden­satoren die kurze Ladezeit. Gibt es Schnitt­mengen bei den zugrunde­liegenden Technologien? Lassen sich die Vorteile aus beiden Welten verbinden? Diesen Fragen geht das Forscherteam um Volker Presser vom Leibniz-Institut für neue Materialien und Simon Fleischmann vom Helmholtz-Institut Ulm nach.

Um das Beste aus beiden Welten miteinander zu verbinden, forschen Wissen­schaftler intensiv an Pseudo­konden­satoren. Das sind elektrochemische Energie­speicher, die sich elektrisch wie ein Kondensator verhalten und damit besonders schnell geladen werden können. Ihr Energie­speicher­mechanismus hingegen funktioniert wie bei einer Batterie: Energie wird durch Ioneneinlagerung in Kristall­gittern gespeichert. Diese besonderen Eigen­schaften können häufig durch den Einsatz von 2D-Materialien als Elektroden erreicht werden.

„Das besondere an 2D-Materialien ist ihr flexibler Zwischen­schicht­raum“, erklärt Fleischmann. „Durch eine gezielte Einstellung der Netz­ebenen­abstände im Bereich um einen Nanometer können wir interes­sante Nanoeffekte im Confinement beobachten.“ Damit ist gemeint, dass sich Ionen und Elektrolyte, die man zum Ionen­transport benötigt, in so kleinen Nanoräumen ganz anders verhalten als in einem großen Volumen oder an einer Oberfläche. Das richtige „matching“ von Ionengröße, Elektrolyt und Nanoraum des Elektroden­gitters kann eine deutliche Steigerung der Energie­speicher­kapazität und Schnell­lade­fähig­keit ermöglichen.

Der Speichermechanismus der Pseudo­konden­satoren wurde bislang entweder Konden­satoren oder Batterien zugeordnet. Eine aktuelle Forschungs­arbeit eines inter­nationalen Teams unter Leitung von Veronica Augustyn von der North Carolina State University hat jetzt ein verein­heit­lichendes Konzept hierzu etabliert. „Wir sehen einen kontinu­ier­lichen Übergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batterie­materialien bis hin zu idealer Aktivkohle“, erklärt Presser. „Es ist wichtig, diesen graduellen Übergang von Elektro­sorption bis hin zur Inter­kalation als Spektrum zu verstehen. Je nach Größe und Geometrie des Nanoraums werden Ionen teilweise ihre Elektrolyt­hülle abstreifen und können Redox-Prozesse durch­laufen.“

Womit man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schicht­struktu­rierten Metall­oxiden ist. „Gerade der Zwischen­schicht­raum von 2D-Materialien ist eine großartige Spielwiese für uns in der Material­wissen­schaft. Hier können wir mittels gezieltem Material­design schnellen Ionen­transport und hohe Energie­speicher­kapazität durch reversible Redox-Prozesse kombinieren“, betont Simon Fleischmann.

INM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Fleischmann et al.: Continuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes, Nat. Energy, online 17. März 2022; DOI: 10.1038/s41560-022-00993-z
• Energie-Materialien (V. Presser), Grenzflächenmaterialien, Leibniz-Institut für neue Materialien, Saarbrücken
• Forschungsgruppe Fleischmann, Electrochemical Energy Storage, Helmholtz-Institut Ulm
• Augustyn Research Group, Dept. of Materials Science & Engineering, North Carolina State University, Raleigh, USA