Ein neuartiger Elektrolyt könnte die Leistung von Superkondensatoren verbessern
Zuletzt aktualisiert am 1. Februar 2023 von Lars Weidmann
Superkondensatoren, auch bekannt als Ultrakondensatoren, gewinnen in der Welt der Energiespeicherung zunehmend an Bedeutung, da sie Energie schnell speichern und entladen können. Eine der größten Herausforderungen bei Superkondensatoren ist jedoch ihre begrenzte Energiespeicherkapazität. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden Forschungsarbeiten zur Entwicklung eines neuartigen Elektrolyten durchgeführt, der die Leistung von Superkondensatoren möglicherweise verbessern könnte. Dieser neue Elektrolyt ist so konzipiert, dass er die Oberfläche der Elektroden vergrößert und damit die speicherbare Energiemenge erhöht. Außerdem soll der Elektrolyt schnellere Lade- und Entladezeiten ermöglichen, so dass der Superkondensator für eine breitere Palette von Anwendungen eingesetzt werden kann. Mit diesen potenziellen Verbesserungen könnte der neue Elektrolyt die Welt der Energiespeicherung revolutionieren und den Weg für eine neue Generation von Superkondensatoren ebnen.
Einführung in Superkondensatoren
Superkondensatoren sind Energiespeicher, die in der Lage sind, enorme Energiemengen in kleiner Form zu speichern. Sie bestehen in der Regel aus zwei Elektroden, die durch ein sehr poröses Material, den Elektrolyten, getrennt sind (Abbildung 1). Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Superkondensators. Die Elektroden bestehen in der Regel aus einem elektrochemisch aktiven Material. Wenn Strom angelegt wird, werden die Elektroden negativ geladen, während der Elektrolyt positiv geladen wird. Dadurch entsteht eine elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten, durch die Elektronen von der negativen zur positiven Elektrode fließen können. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das zur Versorgung elektronischer Geräte genutzt werden kann. Superkondensatoren werden derzeit für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in Smartphones, tragbaren elektronischen Geräten, Fahrzeugen und als Notstromsysteme für Computer. Zunehmend werden sie auch als Stromspeicher für Zeiten geringer Nachfrage eingesetzt, z. B. in Schwachlastzeiten des Stromnetzes. Schließlich können Superkondensatoren auch dazu verwendet werden, überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenkollektoren oder Windturbinen zu speichern.
Herausforderungen bei Superkondensatoren
Es gibt eine Reihe von Problemen mit Superkondensatoren, die ihrer breiten Anwendung im Wege stehen. Ein Problem ist ihre begrenzte Energiespeicherkapazität. Aufgrund ihrer hohen Lade-Entlade-Effizienz können Superkondensatoren große Energiemengen in einer sehr kleinen Form speichern. Allerdings sind Superkondensatoren durch die Energiemenge, die von den Elektroden abgegeben werden kann, begrenzt. Wenn große Energiemengen verwendet werden sollen, würde sich ein Superkondensator sehr schnell aufladen und sehr langsam entladen, so dass er nur eine sehr kurze Zeitspanne hält. Eine weitere Herausforderung bei Superkondensatoren ist die begrenzte Lebensdauer der Elektroden. Bei häufigem Gebrauch gehen die Elektroden aufgrund der ständigen elektrochemischen Reaktion irgendwann kaputt. Wenn Superkondensatoren in großem Umfang eingesetzt werden sollen, müssen die Elektroden häufig ausgetauscht werden. Schließlich sind Superkondensatoren relativ teuer, was ihre Anschaffung verteuert. Wenn Superkondensatoren in großem Umfang eingesetzt werden sollen, müssen die Kosten gesenkt werden.
Übersicht über die neuen Elektrolyte
Die in Superkondensatoren verwendeten Elektrolyte machen einen erheblichen Teil der Gesamtkosten des Geräts aus. Derzeit werden die meisten Elektrolyte aus einer Polymermischung hergestellt, wobei häufig ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird. Dies liegt in der Regel daran, dass die Polymermischung billiger ist, insbesondere wenn eine große Oberfläche benötigt wird. Jüngste Forschungsarbeiten befassten sich jedoch mit der Entwicklung eines neuen Elektrolyten, der eine bessere Leistung für Superkondensatoren bieten könnte. Dieser neue Elektrolyt ist so konzipiert, dass er die Oberfläche der Elektroden vergrößert und damit die Menge der speicherbaren Energie erhöht. Darüber hinaus soll der Elektrolyt schnellere Lade- und Entladezeiten ermöglichen, so dass der Superkondensator für ein breiteres Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden kann. Mit diesen potenziellen Verbesserungen könnte der neue Elektrolyt die Welt der Energiespeicherung revolutionieren und den Weg für eine neue Generation von Superkondensatoren ebnen.
Vorteile des neuen Elektrolyten
Der neue Elektrolyt bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber den derzeitigen Elektrolyten, die darauf hindeuten, dass er die Leistung von Superkondensatoren erheblich verbessern könnte. Erstens kann der neue Elektrolyt die Menge an Energie, die in Superkondensatoren gespeichert werden kann, erhöhen. Derzeitige Superkondensatoren sind durch die speicherbare Energiemenge begrenzt, wobei die Superkondensatoren mit dem höchsten Energiegehalt Ladespannungen von etwa 2,1 V und Entladespannungen von etwa 760 mV erreichen. Mit den neuen Elektrolyten können diese Spannungen erhöht werden, so dass mehr Energie gespeichert werden kann. Darüber hinaus bietet der neue Elektrolyt schnellere Lade- und Entladezeiten, so dass er sich für Anwendungen eignet, bei denen große Mengen an Energie schnell freigesetzt werden müssen. Schließlich haben die neuen Elektrolyte eine viel größere Oberfläche als die derzeitigen Elektrolyte, so dass die Elektroden näher beieinander liegen können. Dadurch erhöht sich die Energiemenge, die in dem Superkondensator gespeichert werden kann, wodurch er sich möglicherweise für Notstromsysteme eignet.
Mögliche Anwendungen des neuen Elektrolyten
Der neue Elektrolyt könnte die Welt der Energiespeicherung revolutionieren. Wenn der neue Elektrolyt in Superkondensatoren verwendet wird, könnte die Energiemenge, die in dem Gerät gespeichert werden kann, ein unglaubliches Niveau erreichen. Derzeitige Superkondensatoren kosten in der Regel etwa 65 $/kWh. Wenn der neue Elektrolyt verwendet wird, könnte die Energiemenge, die in einem Superkondensator gespeichert werden kann, etwa 75 $/kWh kosten. Damit wäre der Superkondensator ideal für die Speicherung von Energie in Zeiten niedriger Stromtarife, z. B. nachts oder bei geringerer Nachfrage im Stromnetz. Der neue Elektrolyt könnte auch in Notstromsystemen eingesetzt werden. Wenn der Superkondensator an das Stromnetz angeschlossen wird, ist die Energiemenge, die in dem Superkondensator gespeichert werden kann, um ein Vielfaches größer als die, die das Stromnetz liefern könnte. Dies würde es ermöglichen, ein Notstromsystem für ein viel breiteres Spektrum von Anwendungen zu nutzen.
Forschung über den neuen Elektrolyten
Forscher haben den neuen Elektrolyt an verschiedenen Superkondensatoren getestet und festgestellt, dass der neue Elektrolyt die Leistung von Superkondensatoren erheblich verbessern kann. Die derzeitige Generation von Superkondensatoren besteht aus Elektroden auf Kohlenstoffbasis, wobei ein Polymerelektrolyt verwendet wird. Die Forscher haben die neuen Elektrolyte unter Verwendung von Kohlenstoffelektroden getestet und festgestellt, dass die neuen Elektrolyte die Energiemenge, die im Superkondensator gespeichert werden kann, um bis zu 20 % erhöhen können. Damit könnten Superkondensatoren bis zu 80-mal mehr Energie speichern als derzeit. Die neuen Elektrolyte können nicht nur die im Superkondensator speicherbare Energiemenge erhöhen, sondern auch die freisetzbare Energiemenge verbessern. Die Forscher haben sowohl die derzeitigen als auch die neuen Elektrolyte mit Kohlenstoffelektroden getestet und festgestellt, dass die neuen Elektrolyte die Energiemenge, die aus den Superkondensatoren freigesetzt werden kann, um bis zu 15 % erhöhen können. Dadurch könnten sich Superkondensatoren für Anwendungen eignen, bei denen viel Energie freigesetzt werden muss, z. B. für den Antrieb von Elektrofahrzeugen.
