24.11.2020
Langlebige hybride Kondensatoren entwickelt
Metallionen-Kondensatoren vereinigen die Eigenschaften von Kondensatoren und Batterien: Eine Elektrode arbeitet nach dem Kondensatorprinzip, die andere verwendet die Redoxprozesse von Batterien. Wissenschaftler haben nun den Elektrolyten, und insbesondere das Anion unter die Lupe genommen.
Den Ergebnissen zufolge sind Sulfationen besonders günstig. Zink-Ionen-Kondensatoren mit Zinksulfat-Elektrolyt sind außergewöhnlich leistungsfähig und extrem langlebig, heißt es in der in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlichten Studie.
Kondensatoren können eine enorme Menge an Ladung in besonders kurzer Zeit aufnehmen und wieder abgeben, Batterien speichern viel Energie in einem kleinen Volumen. Um beide Eigenschaften zu in einer Zelle zu vereinen, untersuchen Wissenschaftler hybride elektrochemische Zellen, die Kondensator- mit Batterieelektroden kombinieren.
Besonders vielversprechend erscheinen Metallionen-Kondensatoren. Deren positive Elektrode besitzt pseudokapazitive Eigenschaften, d.h. sie speichert wie eine Batterie Energie durch Einlagerung von Metallionen. Die negative Elektrode besteht aus einem redoxaktiven Metall.
Lange sei jedoch der Elektrolyt vernachlässigt worden, findet der Elektrochemiker Chunyi Zhi, der mit seinem Team an der City University von Hongkong Batteriematerialien untersucht. Das Anion im Elektrolyt beeinflusse die Leistungsfähigkeit der Zelle. "Mit mehr Aufmerksamkeit auf dem richtigen Anion kann man die Leistung und Energiedichte eines Kondensators effektiv verbessern", schreiben Zhi und Kollegen in der Studie.
Die Forscher konzentrierten sich auf Zink-Ionen-Kondensatoren. Diese elektrochemische Zelle enthält eine Anode aus reinem Zink und eine Kathode aus Titannitrid-Nanofasern. Die Nanofasern sind robust und besitzen eine poröse Oberfläche, in die der Elektrolyt leicht eindringen kann. Durch die Anlagerung der Anionen an die Oberfläche erhöhen sie die Leitfähigkeit. Darüber hinaus können die adsorbierten Anionen direkt den Ladeprozess beeinflussen. Beim Laden des hybriden Kondensators werden die eingelagerten Zinkionen aus dem Kathodenmaterial extrahiert.
Zhi und seine Kollegen verglichen die drei Elektrolyt-Anionen Sulfat, Acetat und Chlorid und untersuchten sowohl deren Bindung an die Elektrodenoberfläche als auch die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle. Das Ergebnis war eindeutig.
Unter den drei Anionen ragten die Sulfat-Anionen heraus, heißt es in der Studie, und Zellen mit einem Zinksulfat-Elektrolyten zeigten die beste Leistung. Die Sulfationenan banden an die Titannitrid-Oberfläche weit stärker als die beiden anderen Anionen. Darüber hinaus zeigte die Elektrode mit dem Sulfat-Elektrolyten die geringste Selbstentladung. Beide Ergebnisse erklärten die Autoren mit den den elektronischen Effekten des Sulfations. Durch seinen starken Elektronenzug bindet es sehr fest an die Oberflächenatome. Dadurch verhindere es auch die Selbstentladung der Elektrode, so die Autoren.
Ein Zink-Ionen-Kondensator mit Zinksulfat-Elektrolyt lief mehr als neun Monate lang mit hervorragender Leistung, berichteten die Autoren. Die Zellen seien zudem besonders biegsam und eignen sich für tragbare Elektronik. Die Wissenschaftler testeten die Zelle erfolgreich als Energielieferant in einer Smartwatch.
Quelle: Angewandte Chemie