Zement, Ruß, Elektrolyte und Wasser bilden einfaches Rezept für vielseitigen neuen Superkondensator

Wenn sich die jüngsten Entwicklungen in der Materialwissenschaft bewahrheiten, wird unsere Welt in nur wenigen Jahren völlig anders aussehen. In der vergangenen Woche gibt es nicht nur eine wachsende Liste von Wissenschaftlern, die versuchen, die jüngsten Behauptungen über einen potenziellen raumtemperatur‑ und atmosphärendruckfreien Supraleiter namens „LK‑99“ zu reproduzieren und zu bestätigen, sondern das Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ebenfalls eine interessante Entdeckung gemacht. Dies wäre ein kostengünstiger Superkondensator, der aus nicht‑exotischen Materialien hergestellt wird.

Was ist ein Kondensator?

Kondensatoren sind Geräte, die elektrische Energie speichern, indem sie ein internes Ungleichgewicht elektrischer Ladung über zwei leitende Platten ansammeln, die durch einen Isolator oder Dielektrikum getrennt sind.

Was macht einen ‘Super’-Kondensator?

Ein Superkondensator, auch als Ultrakondensator oder Doppelschichtkondensator bezeichnet, ist eine Art von Kondensator mit außergewöhnlich hoher Kapazität.  So unterscheiden sich Superkondensatoren von Standardkondensatoren:

• Speicherkapazität: Superkondensatoren können im Vergleich zu Standardkondensatoren eine deutlich größere Menge elektrischer Ladung speichern. Dies liegt an der hohen Oberfläche der Elektroden und dem sehr geringen Abstand zwischen ihnen, wodurch mehr Ladung gespeichert werden kann.
• Energie‑ und Leistungsdichte: Während Kondensatoren im Allgemeinen eine höhere Leistungsdichte (sie können Energie schnell abgeben) aber eine niedrigere Energiedichte (sie speichern weniger Energie) besitzen, überbrücken Superkondensatoren die Lücke zwischen Kondensatoren und Batterien, indem sie sowohl eine hohe Leistungsdichte als auch eine relativ hohe Energiedichte aufweisen.
• Konstruktion: Superkondensatoren verwenden häufig andere Materialien und Konstruktionsmethoden. Sie nutzen typischerweise poröse Kohlenstoffmaterialien für die Elektroden, die eine große Oberfläche bieten, sowie ein Elektrolyt, das den Ionenfluss ermöglicht. Die große Oberfläche und die spezielle Konstruktion ermöglichen es dem Superkondensator, mehr Energie zu speichern.
• Lade‑ und Entladeraten: Superkondensatoren können viel schneller geladen und entladen werden als Batterien und sie können wesentlich mehr Lade‑ und Entladezyklen überstehen, ohne signifikante Degradation. Während Standardkondensatoren ebenfalls schnell laden und entladen, können Superkondensatoren die Ladung länger halten, weil sie über eine größere Speicherkapazität verfügen.

Einfach ausgedrückt: Während Standardkondensatoren und Superkondensatoren nach demselben Grundprinzip der Energiespeicherung in einem elektrischen Feld funktionieren, zeichnen sich Superkondensatoren durch ihre deutlich höhere Speicherkapazität, andere Konstruktionsmaterialien und die Fähigkeit aus, die Eigenschaften von sowohl Kondensatoren als auch Batterien zu kombinieren.

Wo werden Superkondensatoren eingesetzt?

Jetzt, wo Sie wissen, was ein Superkondensator ist, wo sind sie nützlich?  Superkondensatoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen schnelle Energielieferung und effiziente Speicherung entscheidend sind. Hier sind einige typische Bereiche, in denen Sie Superkondensatoren finden können:

• Elektrofahrzeuge (EVs): Superkondensatoren können die schnellen Energiespitzen liefern, die für Beschleunigung nötig sind, und gleichzeitig Energie beim regenerativen Bremsen zurückgewinnen, wodurch die Gesamteffizienz des Fahrzeugs verbessert wird.
• Öffentlicher Nahverkehr: In Bussen und Straßenbahnen können Superkondensatoren Energie schnell während kurzer Haltephasen speichern und dann für die Beschleunigung bereitstellen, wodurch die Belastung der Hauptstromquelle reduziert wird.
• Erneuerbare Energiesysteme: Superkondensatoren können Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar und Wind speichern und bei Bedarf freigeben. Das hilft, Schwankungen in der Energieversorgung auszugleichen, wenn Sonne und Wind knapp sind.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV): In Systemen, die eine kontinuierliche Stromversorgung benötigen, können Superkondensatoren temporäre Energie während kurzer Ausfälle oder bis Notstromgeneratoren hochfahren, bereitstellen.
• Verbraucherelektronik: In manchen Geräten können Superkondensatoren die schnellen Energiespitzen liefern, die für bestimmte Funktionen nötig sind, etwa Blitzlicht in Kameras oder hochwertige Car‑Audio‑Installationen.
• Medizinische Geräte: Superkondensatoren können in medizinischen Geräten wie Defibrillatoren eingesetzt werden, die eine zuverlässige und sofortige Leistungsabgabe erfordern.
• Industrielle Ausrüstung: In industriellen Umgebungen können Superkondensatoren die für kurze Zeiträume benötigte hohe Leistung in verschiedenen Maschinen und Werkzeugen bereitstellen.
• Netzstabilisierung: Superkondensatoren können im Stromnetz eingesetzt werden, um schnell auf Änderungen von Nachfrage oder Angebot zu reagieren, wodurch das Netz stabilisiert und Schwankungen verhindert werden.
• Drahtlose Kommunikationsgeräte: Sie können die Energie liefern, die für die Signalübertragung nötig ist, insbesondere in abgelegenen oder schwer zugänglichen Bereichen, wo ein Batteriewechsel schwierig ist.
• Smart‑Grid‑ und Mikronetz‑Anwendungen: Superkondensatoren können Teil intelligenter Energiemanagementsysteme sein, die Lasten ausbalancieren und Energie lokal speichern, um sie effizienter zu nutzen.
• Luft‑ und Raumfahrt sowie Verteidigung: In Luft‑ und Raumfahrtanwendungen können Superkondensatoren zuverlässige Energie für kritische Systeme bereitstellen, die hohe Zuverlässigkeit und Leistung erfordern.

Insgesamt machen die Vielseitigkeit, die hohe Leistungsdichte und die schnellen Lade‑/Entladefähigkeiten Superkondensatoren für ein breites Spektrum von Anwendungen geeignet, bei denen sowohl Energiespeicherung als auch schnelle Energieabgabe erforderlich sind. Wie Sie aus der obigen Liste ersehen können, werden Superkondensatoren bereits in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Daher ist die kürzlich von MIT gemachte Entdeckung besonders faszinierend, weil sie das Potenzial hat, zahlreiche verschiedene Implementierungen voranzutreiben.

Ein neues Rezept

Laut MIT haben die an dieser Entdeckung beteiligten Forscher ein Verfahren entwickelt, um ein zementbasiertes Material mit hoher innerer Oberfläche herzustellen, indem sie Ruß in eine Betonmischung einbringen. Das resultierende Material bildet, wenn es in ein Standard‑Elektrolyt wie Kaliumchlorid getaucht wird, einen leistungsstarken Superkondensator. Bemerkenswert ist, dass die benötigte Menge an Ruß minimal ist, was den Prozess sowohl kostengünstig als auch leicht reproduzierbar macht.

Beim Erstellen eines Superkondensators ist es wichtig zu beachten, dass seine Leistung weitgehend von der inneren Oberfläche seiner leitenden Platten abhängt.  MIT stellt fest, dass,

“Der Schlüssel zu den neuen Superkondensatoren, die von diesem Team entwickelt wurden, liegt in einem Verfahren zur Herstellung eines zementbasierten Materials mit einer extrem hohen inneren Oberfläche, die durch ein dichtes, miteinander verbundenes Netzwerk leitfähigen Materials im Volumen entsteht.”

Was für diese Entdeckung jedoch entscheidend ist, ist, dass sie mit solch alltäglichen, weltweit günstig verfügbaren Materialien erreicht wurde – was sie zu einer extrem zugänglichen Technologie macht.

Interessant wird diese Entdeckung, wenn man über ihre potenziellen zukünftigen Anwendungen zur Stabilisierung von Energienetzen und -nachfrage nachdenkt. Das Team beschreibt eine Umsetzung, bei der das Fundament eines Hauses aus dem Material besteht. Nicht nur kann das Material genauso robust wie normaler Zement hergestellt werden, das Hausfundament hätte die Kapazität, einen ganzen Tag lang Strom zu liefern. Dies könnte bei Stromausfällen, während Spitzenlastzeiten oder in ähnlichen Situationen genutzt werden.

Es ist auch nützlich für Häuser, die erneuerbare Energien nutzen, bei denen die Versorgung nicht konstant ist. Während Phasen überschüssiger Erzeugung könnte die im Fundament gespeicherte Energie aufgeladen werden, während Phasen von Energiemangel könnte sie abgerufen werden.  Weitere Anwendungen umfassen drahtlose Ladetechnologien, die Gemeinden und Häuser ohne Anschluss an traditionelle Stromnetze versorgen, und mehr.

Abschließendes Wort

Die Bedeutung eines zementbasierten Superkondensators ist enorm, da Menschen dazu neigen, mit diesem Material zu bauen.  Insgesamt glaubt das Team, dass sein,

“…Materialdesign von porösen Kohlenstoff‑Zement‑Kompositen eine skalierbare Materiallösung für die Energiespeicherung bietet, um den dringenden Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien zu unterstützen.”

Nicht nur wäre es leicht zugänglich, es könnte in sowohl kleinen als auch groß angelegten Projekten relativ einfach implementiert werden.