Superkondensatoren aus Nanomaterialien

Neuer Herstellprozess für Elektroden aus NiO/Ni-Nanokompositen ermöglicht kostengünstige Produktion von Superkondensatoren.

Superkondensatoren vereinen die Vorteile von herkömmlichen Kondensatoren und Batterien: Sie können bei Bedarf rasch hohe Stromdichten liefern und gleichzeitig hohe Mengen elektrischer Energie speichern. Superkondensatoren bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Polarität und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern.

Das Problem: Die meisten Prozesse zur Herstellung der benötigten nanostrukturierten Elektroden sind entweder zu empfindlich für den industriellen Maßstab oder es müssen Additive zugegeben werden, die dann hinterher die Funktion der Elektroden stören, teilweise sind auch die elektrischen Widerstände der Materialien zu hoch. John Q. Xiao und sein Team von der University of Delaware haben nun einen neuen Prozess zur Herstellung von Elektroden aus einem Nickeloxid/Nickel-Nanokomposit entwickelt, der diese Einschränkungen überwinden kann.

Zunächst stellen die Wissenschaftler Nickelnanopartikel her. Hochsiedende mehrwertige Alkohole, so genannte Polyole, dienen als Reaktionsmedium. Diese bedecken die Wachstumsflächen der Kristallkeime, sodass kleine sphärische Partikel entstehen. Anschließend werden die Nanopartikel zu Pellets zusammengepresst und auf einer Seite eine hauchfeine Platinschicht aufgetragen, die später als Stromkollektor wirkt. Durch Aufschmelzen bei 250 °C bildet sich eine Schicht aus Nickeloxid (NiO) um die Pellets, welche die eigentliche aktive Schicht des Superkondensators ist. So entstehen kompakte, stabile, aber hochporöse Ni/NiO-Elektroden, die ohne Trägermaterialien auskommen. Als Elektrolyt dient Kaliumhydroxyd (KOH).

Beim Aufladeprozess werden OH–-Ionen an das NiO gebunden und dabei Elektronen abgegeben. Der Prozess kehrt sich um, wenn die so gespeicherte elektrische Energie wieder als Strom abgezogen wird. Durch die sehr starke Körnung hat das Material eine hohe innere Oberfläche und bietet den Ionen gute Diffusionswege. Gleichzeitig ist aber das leitende Netzwerk der Metallkerne gut erhalten, was wichtig für eine hohe elektrische Leitfähigkeit ist. Diese Charakteristika sind Grund für die erstaunlich hohe Kapazität der Elektroden sowie ihre hohe Leistungsdichte und Stromdichte während der Lade/Entlade-Zyklen.

GDCh / KK