Wenn es um die Speicherung von Energie in elektronischen Geräten geht, greift man typischerweise entweder auf eine Batterie zurück, in der Energie in Chemikalien gespeichert wird, oder auf einen Kondensator, in dem die Energie in einem elektrischen Feld gespeichert wird. Der Vorteil von Batterien besteht darin, dass sie tendenziell eine hohe Energiespeicherfähigkeit haben – sie können jedoch langsam aufgeladen werden und mit der Zeit ihre Fähigkeit verlieren, die Ladung zu halten. Kondensatoren haben diese Einschränkungen nicht, speichern aber erheblich weniger Energie nach Volumen und sind nicht geeignet, um eine konstante Energieversorgung über die Zeit wie Batterien bereitzustellen.
Ein Kompromiss zwischen Batterien und Kondensatoren ist ein Superkondensator.
Wie ein Hybrid aus beiden verfügen Superkondensatoren über zwei Elektroden (wie in Batterien), die Ladung auf ihren Oberflächen speichern (wie ein Kondensator).
Diese leitfähigen Oberflächen werden jedoch mit einem Elektrolyten getrennt und nicht mit den nichtleitenden, dielektrischen Materialien, die in normalen Kondensatoren zu finden sind.
Superkondensatoren können zum größten Teil deutlich mehr Ladung speichern als normale Kondensatoren, weil sie nanostrukturierte Elektroden haben, die ihnen eine viel größere Oberfläche zum Speichern von Energie geben – aber sie erreichen immer noch nicht ganz das Niveau von Batterien.
Forscher, die die Energie-Story-Dichte von Superkondensatoren erhöhen wollten, haben dies typischerweise durch den Einbau sogenannter pseudokapazitiver Komponenten erreicht.
Diese ermöglichen es, durch elektrochemische Reaktionen an der Oberfläche der Elektroden zusätzliche elektrische Ladung in einem Material zu speichern.
In ihrer Studie haben die Materialwissenschaftler Professor Kirk Bevan von der kanadischen McGill University, Dr. Chris Howard vom University College London und ihre Kollegen theoretisch das Potenzial eines solchen Ansatzes zur Integration pseudokapazitiver Komponenten aufgezeigt.
Dieser als quantisierte Kapazität bekannte Mechanismus mit Elektron-Elektron-Wechselwirkungen in Nanopartikeln wurde zuvor experimentell demonstriert, aber nie auf die Energiespeicherung angewendet.
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Darüber hinaus, erklärten die Forscher, könnte ihre pseudokapazitive Batterie, wenn sie realisiert wird, unzählige Anwendungen finden, von der Energiespeicherung für das nationale Stromnetz bis hin zu tragbaren elektrischen Geräten.
Prof. Bevan sagte: „Die physikalischen Prinzipien haben keine Größenbeschränkungen und könnten sowohl im Rastermaßstab als auch im kleinen Maßstab genutzt werden.“
Die Technologie könnte auch eingesetzt werden, fügte er hinzu, „in jeder Anwendung im Transportsektor, die eine hohe Leistung und eine hohe Energiedichte erfordert.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift PRX Energy veröffentlicht.