Neue Akkus braucht das Land
Mikroporöses Polymer hat Potenzial als außergewöhnlich leistungsfähiger Superkondensator.
Für zukünftige Elektrofahrzeuge, leistungsfähige Notebook und andere tragbare elektronische Geräte wird eine neue Generation von Stromspeichermedien benötigt, die den Anforderungen besser gewachsen sind als heutige Akkus. Superkondensatoren sind hier das Material der Wahl. Ein Team um Donglin Jiang vom Institute for Molecular Science (IMS) in Okazaki, Japan, stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun ein neues Material mit herausragenden Superkondensator-Eigenschaften vor.
Abb.: Ein π-konjugiertes mikroporöses Polymer mit stickstoffhaltigem Gerüst ist leitfähig und lässt Elektrolyt-Ionen aufgrund struktureller Merkmale in die Poren. Das Material wird, wenn sich elektrostatische Schichten bei der Trennung der Ladungen bilden, stark kooperativ. (Bild: Angew. Chem.)
Für Fahrten in der Stadt sind abgasfreie Elektroautos gut geeignet, für Langstrecken dagegen bisher nicht. Probleme bereiten die zu geringe speicherbare Strommenge, die nur relativ kurze Strecken bis zum nächsten Nachladen erlauben, und die begrenzte Stromstärke, die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge limitiert. Superkondensatoren könnten diese Herausforderungen meistern, denn sie vereinen die Vorteile von herkömmlichen Kondensatoren und Batterien: Wie ein Kondensator können sie bei Bedarf rasch hohe Stromdichten liefern, gleichzeitig speichern sie wie eine Batterie eine hohe Menge elektrischer Energie.
Superkondensatoren arbeiten nach einem anderen Prinzip der Ladungsspeicherung als Akkus: Sie bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf. Verschiedene Materialien eignen sich als Superkondensatoren, aber das wirklich perfekte Material wurde bisher noch nicht gefunden. Den Wissenschaftlern in Japan gelang nun ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg.
Eine Stoffklasse mit interessanten Eigenschaften sind spezielle gerüstartig aufgebaute, mikroporöse organische Polymere. Aufgrund der Anordnungen ihrer Doppelbindungen kann sich ein Teil ihrer Elektronen in ausgedehnten Bereichen des Gerüsts frei bewegen. Daher sind solche Materialien elektrisch leitfähig. Die hohe innere Oberfläche ist wichtig für die Bildung von elektrostatischen Ladungstrennungsschichten in den Poren. Jiang und sein Team haben jetzt ein stickstoffhaltiges Gerüst synthetisiert, dessen Porengröße optimal ist, um Ionen rasch hinein- und hinauszulassen – Voraussetzung für eine schnelle Aufladung und Entladung. Die Stickstoffzentren treten zudem mit Ionen des Elektrolyten in Wechselwirkungen, die die Ansammlung von Ladungen und die Bewegung von Ionen begünstigen.
Das Zusammenwirken dieser verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften verleiht dem neuen Material ganz außergewöhnlich hohe Stromspeicher-Kapazitäten und hohe Energiedichten. Jiang und seine Kollegen konnten zeigen, dass ihre mikroporösen Gerüste viele Ladezyklen gut überstehen.
Angewandte Chemie
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