Viel Energie in möglichst kurzer Zeit aus einem Speicher bereitstellen, dafür gibt es eine ganze Reihe von Anwendungen. Stuttgarter Forscher haben neue Elektroden entwickelt, mit denen sie das Laden und Entladen von Superkondensatoren weiter beschleunigen.
Forscher des Zentrums für Solarenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart haben neue Elektroden entwickelt, die ein schnelleres Laden und Entladen von Batteriespeichern ermöglicht. Innerhalb von nur drei Sekunden können die Superkondensatoren mit den neuen Elektroden Strom aufnehmen oder abgeben. Dazu haben die Forscher die Oberflächenstruktur der Elektroden nanostrukturiert. Als Elektrolyt für die neuartigen Batteriespeicher nutzen sie eine wasserbasierte nicht brennbare Lösung, die auch bei hohen und niedrigen Temperaturen noch genutzt werden könne, teilt das ZSW mit.
Nanobeschichtung beschleunigt Laden und Entladen
Interessant sei die Entwicklung vor allem für Anwendungen, in denen kurzzeitig viel Strom benötigt wird. So ist die Kappung von Verbrauchsspitzen in der Industrie, die entstehen, wenn große Maschinen angeschaltet werden, genauso ein Anwendungsfeld der neuen Batterien wie die Verwendung in Hybridautos. Dort kommt es ebenfalls zu einer Verbrauchsspitze, wenn das Fahrzeug beschleunigt. Während der eigentlichen Fahrt übernimmt ein Verbrennungsmotor die Bereitstellung von Energie. Auch Gabelstapler mit Elektromotor können mit solchen Hochleistungsspeichern ausgerüstet werden, um Verbrauchsspitzen abzudecken.
Mit der Veränderung der Elektroden setzen die Stuttgarter Forscher genau an dem Punkt an, der für die Leistungsfähigkeit eines Speichers entscheidend ist. Dabei geht es nicht darum, das möglichst viel Energie gespeichert wird, sondern dass die gespeicherte Energie möglichst schnell mit einer hohen Leistung zur Verfügung steht. Für die positive Elektrode haben die Forscher nanostrukturierters Nickel mit Nickelhydroxid beschichtet. Diese Nanostrukturierung macht den Fortschritt möglich. Bisherige Elektroden wurden maximal mikrostrukturiet. Mit der noch intensiveren Strukturierung steigt die Oberfläche des Elektrodenmaterials um das 100- bis 1.000fache. Durch die größere Oberfläche können die Ladungsträger wesentlich schneller und mit geringerem Widerstand übertragen werden.
Elektrolyt ist nicht brennbar
Die Beschichtung wurde mit einem konventionellen Verfahren aufgetragen. „Dieser Herstellungsprozess lässt sich daher ohne größeren Aufwand auf großflächigere Zellen hochskalieren“, betont Werner Tillmetz, Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologie am ZSW. Damit rückt die Herstellung von Prototypen ein gutes Stück näher.“
Die negative Elektrode besteht ebenfalls aus einem nanostrukturierten Nickel. Diese ist allerdings mit Aktivkohle beschichtet. Das Elektrolyt ist eine wässrige Kaliumhydroxidlösung. Diese ist im Vergleich zu den bisher verwendeten organischen Elektrolyte von Superkondensatoren nicht brennbar und trägt damit zu einer hohen Sicherheit der Batteriezellen bei.
Große Lade- und Entladeströme möglich
Die Wissenschaftler haben bisher einige Demonstrationszellen angefertigt. „Die C-Rate, das heißt der Wert für die Entladegeschwindigkeit, beträgt fast 1.200“, erklärt Werner Tillmetz. „Der neue Speicher ist damit in der Lage, innerhalb von rund drei Sekunden die gesamte Kapazität zur Verfügung zu stellen. Das ist sehr viel mehr als bei Lithium-Ionen-Batterien, die typischerweise mit C-Werten im einstelligen Bereich betrieben werden.“
