Superkondensatoren


Superkondensatoren zählen zu den zukunftsträchtigsten Technologien auf dem Feld der elektrochemischen Energiespeicher. In "intelligenten Stromnetzen" – sogenannten smart grids – können sie beispielsweise für Netzstabilität sorgen, indem sie Überschüsse zwischenspeichern und so die Netzspannung regulieren. Allerdings bringt der Einsatz in neuen Anwendungen auch veränderte Anforderungen mit sich. Hier ist vor allem die Materialforschung gefragt.

Die derzeit kommerziell verfügbaren Superkondensatoren sind kohlenstoffbasierte Doppelschichtkondensatoren – kurz EDLCs (electrochemical double layer capacitors). EDLCs beinhalten Aktivkohle als Aktivmaterial und Lösungen von quaternären Ammoniumsalzen in Propylencarbonat (PC) oder Acetonitril (ACN) als Elektrolyt. In diesen Systemen wird elektrische Ladung an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt gespeichert.

EDLCs verfügen über eine Zellspannung von 2,7 bis 2,8 Volt, eine spezifische Energie von 5 Wh kg-1 sowie eine spezifische Leistung von bis zu 10 kW kg-1. Sie besitzen darüber hinaus den Vorteil, dass sie innerhalb weniger Sekunden ge- und entladen werden können und eine hohe Zyklenstabilität aufweisen (500.000 bis 1.000.000 Zyklen). Sie sind daher attraktiv für Anwendungen bei denen die Schlüsselkriterien eine hohe Leistungsdichte und Zyklenstabilität sind. So sind Superkondensatoren zum Beispiel schon in Hafenkränen, Hybridfahrzeugen (stop-and-go-Anwendung) und seit Kurzem in Notfalltüren im Airbus A380 zu finden. In diesen Anwendungen hat sich gezeigt, dass sie in Hinblick auf Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit bereit sind für den Einsatz im Netzwerkmanagement.
Eine weitere vielversprechende Anwendung ist die Nutzung von Superkondensatoren in Bussen und Zügen. Hier können sie alleine oder in Kombination mit anderen Speichermedien wie Batterien oder Brennstoffzellen verwendet werden. In China kommen Busse, die mit Superkondensatoren angetrieben werden, bereits im öffentlichen Nahverkehr zum Einsatz.

Die Schwächen der EDLCs sind allerdings ihre niedrige Energiedichte und der begrenzte Temperaturbereich, in dessen Rahmen sie eingesetzt werden können. Aus diesen Gründen ist eine Nutzung von Superkondensatoren im Netzwerkmanagement momentan noch nicht möglich. Zwar sind schon Superkondensatoren mit verschiedenen Aktivmaterialen (Kohlenstoffmodifikationen mit hoher Oberfläche, Übergangsmetalloxide), Elektrolyten (konventionelle wasser-basierte und nicht-wässrige Elektrolyte, Polymerelektrolyte und ionische Flüssigkeiten) und Elektrodenkombinationen (symmetrisch und asymmetrisch) entwickelt worden, doch kommerziell verfügbar sind nur die EDLCs. Als Konsequenz daraus konzentriert sich die Forschung derzeit vor allem auf die Punkte Energiedichte und Temperaturspanne.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Andrea Balducci setzt beim Elektrolyten an. So entwickelt sie neue Elektrolyte, die auf ionischen Flüssigkeiten und alternativen organischen Lösungsmitteln basieren. Durch die Verwendung dieser neuartigen Elektrolyte hat das Team bereits erreicht, Superkondensatoren mit einer höheren Energiedichte als die bislang kommerziell verfügbaren zu entwickeln. Darüber hinaus beschäftigt sich die Gruppe mit der Wechselwirkung zwischen diesen neuartigen Elektrolyten und verschiedenen Kohlenstoffmaterialien, die in Superkondensatoren zum Einsatz kommen. Ziel ist, die Interaktion dieser beiden Komponenten zu optimieren. Um umweltfreundlichere Materialien zu entwickeln, forscht das Team von Dr. Andrea Balducci zudem daran, wie natürliche Materialien, wie z.B. Zellulose, in Superkondensatoren eingesetzt werden können.

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Hybridsysteme


Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die am häufigsten eingesetzten Systeme für Hochenergieanwendungen, wohingegen Superkondensatoren vor allem im Hochleistungsbereich dominieren, d.h. in Systemen, in denen eine hohe Energiemenge schnell verfügbar sein muss. Die Zahl der Anwendungen, in denen eine dieser beiden Technologien zum Einsatz kommt, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Nichtsdestotrotz weisen die Systeme derzeit Limitierungen auf, wenn in spezifischen Anwendungen sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine sehr hohe Leistung und Zyklenstabilität gefordert wird. Um diese Lücke zu schließen, konzentriert sich die Forschung verstärkt auf Hybridsysteme, in denen Materialien aus beiden Technologien kombiniert werden. In Anbetracht der Vielzahl an Aktivmaterialien, die in Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren zum Einsatz kommen, ist auch eine Reihe an verschiedenen Materialkombinationen für die Hybridsysteme denkbar.

Die Nachwuchsforschergruppe von Dr. Andrea Balducci arbeitet neben Superkondensatoren auch an diesen neuen Hybridsystemen. Sie hat bereits verschiedene, vielversprechende Materialkombinationen entwickelt und unterschiedliche Systemansätze vorgestellt. Mit ihren Ergebnissen konnte die Gruppe zeigen, dass Hybridsysteme das Potenzial haben, die Lücke zwischen Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren zu schließen und sie somit eine zukunftsträchtige Klasse der elektrochemischen Energiespeichersysteme darstellen.

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