Hybride Superkondensatoren durch innovative Materialkonzepte

Die Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie
auf verschiedensten Zeitskalen spielt eine entscheidende
Rolle für eine nachhaltige Energieversorgung basierend
auf grünen Technologien. Dies trifft sowohl für neue
Formen der Energieerzeugung (z.B. aus Solar- oder
Windenergie) als auch für die E-Mobilität oder die
Mikroelektronik (Stichwort „wearable electronics“)
zu. Superkondensatoren sind diesbezüglich vielversprechende
Energiespeicher mit besonders hohen
Leistungsdichten und Zyklenzahlen. Im Vergleich zu
Batterien können sie viel schneller und öfter ge- und
entladen werden. E-Busse, Flugzeugtüren oder Systeme
zur Bremsenergie-Rückgewinnung funktionieren
bereits heute mit dieser Speichertechnologie und die
potentiellen Anwendungen nehmen kontinuierlich zu.
Die hervorragende Leistungsdichte und Zyklenstabilität
wirkt sich allerdings auf die Energiedichte aus, welche
typischerweise um mehr als eine Größenordnung
kleiner als jene von modernen Lithium-Ionen-Akkumulatoren
ist. Das Ziel weltweiter Forschungsanstrengungen
ist daher die Erhöhung der Energiedichte von
Superkondensatoren unter Beibehaltung der hohen
Leistungsdichte und Langzeitstabilität.
Im Gegensatz zu Batterien beruht die Trennung und
Speicherung von elektrischer Ladung in klassischen
Superkondensatoren (Doppelschichtkondensatoren)
auf einem rein physikalischen Prinzip: positive und
negative Ladungsträger ziehen sich an der Grenzfläche
zwischen einer festen Elektrode und einem
(üblicherweise) flüssigen Elektrolyt elektrostatisch
an und ermöglichen so die Speicherung von elektrischer
Energie. Ein Fokus der aktuellen Forschung
liegt derzeit in der Optimierung der Elektrolyten
zur Vergrößerung des nutzbaren Spannungsfensters,
da die Energiedichte quadratisch von der Spannung,
jedoch nur linear von der Kapazität abhängt. Dennoch
gibt es weltweite Bestrebungen die Kapazität von
Superkondensatoren weiter zu erhöhen, indem die
spezifische Grenzfläche immer weiter erhöht und die
Ionen an der Grenzfläche möglichst effizient gepackt
werden. Diesem Thema widmet sich auch das vorliegende
Projekt mit dem Ansatz, maßgeschneiderte
neuartige Elektrodenwerkstoffe herzustellen und zu
optimieren. Dabei soll ein grundlegend verbessertes
Verständnis der atomaren Mechanismen der Ladungsspeicherung
und des subtilen Abgleichs zwischen
Leistung und Energie entwickelt werden.