Neues Verständnis von Superkondensatoren könnte Lade-Standards revolutionieren

Ein neues Verständnis von Superkondensatoren könnte es ermöglichen, ein Smartphone oder Elektroauto in Sekunden aufzuladen. Forschende der CU Boulder veröffentlichten diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Science eine Studie zur Dynamik des Ionentransports beim Laden poröser elektrischer Doppelschichten (EDL). Die Ergebnisse könnten den Markt für Superkondensatoren revolutionieren. Das sollten Sie wissen.

Was sind Superkondensatoren?

Kondensatoren sind wichtige Bestandteile moderner Elektronik. Sie speichern elektrostatische Energie in einem elektrischen Feld, statt wie herkömmliche Batterien chemische Verfahren zu nutzen. Ihre besonderen Eigenschaften eignen sich daher für Anwendungen, die eine sehr hohe Impulsleistung und Kapazität benötigen.

Superkondensatoren vs Batterien

Superkondensatoren und Batterien speichern beide Energie, jedoch auf sehr unterschiedliche Weise. Die gängigsten Batterien nutzen chemische Reaktionen. Das eignet sich für einen langfristigen Energiebedarf, hat aber Nachteile wie lange Ladezeiten und hohes Gewicht. Die zusätzliche Kapazität von Superkondensatoren macht sie ideal, wenn kurzfristige Energieschübe benötigt werden.

Da sie Energie durch statische Ladung statt durch eine elektrochemische Reaktion speichern, lassen sie sich leichter bauen. Meist ergänzen sie Gleichstromschaltungen und sind in vielen alltäglichen elektronischen Geräten zu finden.

Wie funktionieren Superkondensatoren?

Superkondensatoren bauen Ladung auf, indem sie Ionen in Poren festhalten. Dadurch können sie innerhalb weniger Sekunden vollständig geladen werden. Bis vor Kurzem war diese Art der Stromspeicherung hinsichtlich der Schichten und Poren begrenzt. Gerade diese besondere Lademethode weckte jedoch das Interesse des Chemieingenieurs Ankur Gupta und seines Teams.

Wenn Wissenschaftsfelder aufeinandertreffen

Gupta und sein Forschungsteam untersuchten Daten zur Strömung durch poröse Materialien und übertrugen sie auf Superkondensatoren. Dieses Wissen wurde meist für nichtelektronische Anwendungen wie Wasserfiltersysteme genutzt. Gupta erkannte, dass seine Expertise auch in der Elektronik nützlich sein könnte. Die Ergebnisse zeigten, dass ihr Modell die Ladung elektrischer Doppelschichten (EDL) verbessern könnte, um effizientere Energiespeicher zu entwickeln, darunter in Sekunden aufladbare Batterien.

Details der Studie

Die Forschenden untersuchten zunächst, wie die Vernetzung der Poren und ihre unterschiedlichen Größen die Ladeeffizienz und Kapazität beeinflussen. Dafür entwickelten sie neue Methoden, um die Bewegung von Elektrolyten durch mehrschichtige, komplex angeordnete Poren vorherzusagen.

Neues Modell verbessert die Planung von Ingenieuren

Das Modell simulierte Tausende miteinander verbundene, in Schichten angeordnete Poren und verfolgte die Ionenbewegung. Zusätzliche Schichten erwiesen sich als wirksame Möglichkeit, mehr Energie zu speichern. Entscheidend ist eine Struktur, die möglichst viele Ionen festhält, ohne vollständig zu verstopfen.

Die Forschenden stellten fest, dass eine möglichst große Oberfläche Leistung und Speicherkapazität verbessern könnte. Deshalb erweiterten sie die Tiefe ihrer Simulationen. Das Modell ermöglicht es Ingenieuren, Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und ihren Einfluss auf den Energietransport in diesen komplexen mehrschichtigen Filtern genau vorherzusagen. Anschließend wurden die Daten verglichen, um die effizientesten Methoden zur Bereitstellung und Entladung von Energie bei Bedarf zu bestimmen.

Studienergebnisse

Die Studie ermöglichte es, Modelle zu erstellen und Ergebnisse wesentlich schneller zu prüfen als mit bisherigen Methoden. Besonders leistungsfähig war ein Dreiecksgitter mit fünftausend Poren, dessen Berechnung sechs Minuten dauerte. Künftig möchte das Team den Debye–Hückel-Grenzfall ohne Einschränkungen der EDL-Dicke und Porenradien simulieren.

Kirchhoffs Gesetz

Die Forschenden erklärten, dass die Idee nach einer Anpassung der Kirchhoffschen Regeln entstand. Der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff formulierte 1845 zwei Regeln zum Verhalten elektrischer Schaltungen: die Maschenregel und die Knotenregel. Sie werden bis heute zur Bestimmung von Widerständen in komplexen Netzwerken verwendet.

Echte Anwendungsbereiche von Superkondensatoren

Superkondensatoren haben zahlreiche praktische Anwendungen in verschiedenen Branchen. Sie puffern Systeme, versorgen Fahrzeuge mit Energie und vieles mehr. Im Folgenden stehen ihre heute häufigsten Einsatzbereiche.

Speicherschutz und interne Batteriesicherung

Ein beliebter Einsatzbereich ist die Sicherung von Speicherdaten und die Unterstützung von Notstrombatterien. Superkondensatoren sind dafür ideal, weil sie leicht, kleiner als Batterien, zuverlässig und wartungsfrei sind. Daher finden sie sich heute in vielen Gleichstromgeräten.

Sie ermöglichen eine zuverlässige Datensicherung, weil sie hohe Leistungen schnell bereitstellen können. Das eignet sich für unerwartetes Abschalten und andere Stromausfälle. Dabei können die Geräte den Inhalt des Zwischenspeichers in den Flash-Speicher übertragen und so in den entscheidenden Sekunden die bisherigen Arbeitsergebnisse sichern.

Leistungspufferung

Ein weiterer häufiger Einsatz ist die Pufferung leistungsintensiver Systeme. Wenn ein Leistungsschub benötigt wird, bieten Superkondensatoren eine passende Lösung. Sie gleichen Leistungsschwankungen aus und sorgen für eine gleichmäßige Versorgung.

Leistungspuffer sind in der Elektronik weit verbreitet. Superkondensatoren stellen dafür die nötige Leistungsdichte und Abgabefähigkeit bereit, um bei Bedarf ohne zusätzliche Systeme Energie einzuspeisen. So unterstützen sie beispielsweise Traktionskontrolle, Beschleunigungsschübe und andere wichtige Aufgaben in Elektrofahrzeugen.

Energiegewinnung

Verfahren zur Energiegewinnung aus der Umgebung lassen sich mit Superkondensatoren deutlich verbessern. Ihre Fähigkeit, zusätzliche Energie zu speichern und innerhalb von Sekunden abzugeben, macht sie dafür besonders geeignet. Sie spielen eine wichtige Rolle beim Ausgleichen ungleichmäßiger Stromspitzen.

Der Umfang und die Bedeutung dieser Technologie nehmen zu. Superkondensatoren sorgen bereits für eine gleichmäßige Stromversorgung in lokalen Netzen, langlebigen Batterien, Brennstoffzellen und sogar fortschrittlichen Verbrennungsmotoren. Künftig werden sie noch wichtiger, weil sie helfen können, den Ertrag neuer Solar- und Windparks zu maximieren.

Integration mit Batterien

Es ist leicht zu erkennen, warum Superkondensatoren zu besseren Batterien beitragen könnten. Bereits heute werden sie in Batterien integriert, um eine gleichmäßige Leistungsabgabe und Ladung zu gewährleisten. Dabei verhindern sie, dass schwankende Spannung Schaltungen beschädigt oder problematische Spitzen verursacht.

Forschungsergebnisse zeigen, dass Superkondensatoren die Batterieleistung erheblich steigern können. Ihre hohe Kapazität und schnelle Abgabe ermöglichen es diesen Geräten, mehr Energie als Batterien zu speichern. Zudem kann die Leistung dort, wo sie gebraucht wird, zehnmal schneller als mit herkömmlichen Verfahren bereitgestellt werden.

Energiespeicherung in Hybridfahrzeugen

Auch Hybridfahrzeuge nutzen Superkondensatoren. In den letzten fünf Jahren wurde intensiv an Fahrzeugmotoren gearbeitet, die vollständig durch Kondensatoren versorgt werden. Dies könnte die Branche verändern, weil nahezu sofortiges Nachladen durch regeneratives Bremsen, Energiegewinnung aus der Umgebung und andere fortschrittliche Verfahren möglich wäre.

Ziel ist, Superkondensatoren zur Hauptenergiequelle dieser Fahrzeuge zu machen. Das würde Kosten und Gewicht von Elektrofahrzeugen deutlich senken sowie Haltbarkeit und Zuverlässigkeit verbessern. Diese Faktoren haben Hybridhersteller zu erheblichen Investitionen in die Erforschung geeigneter Lösungen veranlasst.

IoT – Internet der Dinge

Das Internet der Dinge ist ein riesiges Netz aus Milliarden intelligenter Geräte. Sie verfügen über Sensoren und kommunizieren über das Internet. Die häufig kleinen und stromsparenden Geräte könnten Superkondensatoren nutzen, um ihren Energiebedarf zu decken und zugleich kompakt und erschwinglich zu bleiben.

Das IoT wächst, und Analysten erwarten in den kommenden Jahren einen deutlichen Anstieg der Gerätezahl. Ihre Energieversorgung ist deshalb zu einem Schwerpunkt für Entwickler, Ingenieure und Hersteller geworden.

Vorteile dieser Forschung

Der wichtigste Nutzen der Studie ist die Verbesserung von Superkondensatoren. Das Modell ermöglicht Herstellern komplexere und effizientere Geräte für extrem schnell ladende Batterien, Stromnetze, Verkehr und weitere Bereiche. Die folgenden Unternehmen könnten in den kommenden Jahren davon profitieren.

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE ) ist ein luxemburgischer Batteriezellenhersteller mit einer starken Marktposition. Das Unternehmen wurde 2018 für den wachsenden Markt für Elektroautobatterien gegründet. Heute ist es auf Energiespeicherung sowie Batterielösungen für Luftfahrt, Automobilindustrie und elektrische Anwendungen spezialisiert.

FREYR Battery ist ein bedeutender Marktteilnehmer mit umfangreichen Aktivitäten in Norwegen und den USA. Im US-Bundesstaat Georgia entsteht derzeit die Giga-Batteriefabrik des Unternehmens. Die dort hergestellten großen Batterien sind für den Industriesektor vorgesehen und machen das Werk zu einem wegweisenden Vorhaben auf dem Markt.

Die Marktkapitalisierung von FREYR Battery schwankt etwa zwischen 225 Millionen und 359,74 Millionen US-Dollar. In den vergangenen 52 Wochen lag der Aktienkurs zwischen 1,21 und 10,10 US-Dollar. Das Allzeithoch von 16,94 US-Dollar wurde am 6. Oktober 2022 erreicht. Analysten bewerten die Aktie derzeit als starke Halteposition; ihre Prognosen reichen von 10,00 bis 1,90 US-Dollar.

2. QuantumScape

QS Preisdiagramm

QuantumScape (QS ) wurde von Jagdeep Singh, Tim Holme und Fritz B. Prinz gegründet. Das Unternehmen trat 2010 in den Markt ein und hat seinen Sitz in Kalifornien. Es ist auf Festkörperbatterien und andere Energiesparstrategien spezialisiert. Künftig könnte der innovative Batteriehersteller die Fortschritte der Forschenden nutzen, um sein Angebot zu verbessern.

QuantumScape will die Grenzen der Batterietechnologie erweitern, um Effizienz und Nachhaltigkeit zu verbessern. Das Unternehmen sorgte kürzlich für Aufsehen, weil es als einziger Hersteller anodenfreie Batteriezellen entwickelt hat. Diese Verbesserung ermöglicht eine höhere Energiedichte und senkt die Herstellungskosten.

Die QuantumScape-Aktie schwankte in den vergangenen 52 Wochen zwischen 4,92 und 13,86 US-Dollar. Die Marktkapitalisierung lag zwischen zwei und drei Milliarden US-Dollar. Obwohl die Firma den Anlegern bisher keine Rendite geliefert hat, gilt die Aktie weiterhin als interessante Ergänzung, weil ihre Innovationen den Markt in den kommenden Monaten stark verändern könnten.

Zukunft der Superkondensatoren

Die Zukunft der Superkondensatoren ist vielversprechend. Immer mehr Unternehmen erforschen, wie sie verbessert und in bestehende Systeme integriert werden können, um die Leistung zu steigern. Der Markt ist daher sehr aktiv und innovationsreich. Künftig werden die Forschenden neue Materialien untersuchen.

Auch die physikalischen Eigenschaften werden stärker im Mittelpunkt stehen. Superkondensatoren könnten bald weicher, biegsam oder sogar dehnbar sein, um weiche Roboter und andere neue Märkte zu bedienen. Ein weiteres wichtiges Innovationsziel ist ihre Verkleinerung.

Grüne Wirtschaft

Die Zukunft der Superkondensatoren ist grün. Es wird intensiv daran geforscht, sie biologisch abbaubar zu machen. Das würde ihre Umweltauswirkungen bei wachsender Nutzung verringern. Nachhaltigkeit ist für die Weiterentwicklung aller Technologien wichtig. Deshalb werden zunehmend ungewöhnliche Materialien untersucht, um die Ökosysteme weniger zu belasten.

Neue Superkondensatoren erhalten neue Fähigkeiten

Die wichtige Rolle der Superkondensatoren im Alltag erklärt, warum diese Forschung so viel Aufmerksamkeit erhält. Sie unterstützen elektronische Geräte, auf die viele Menschen täglich angewiesen sind. Extrem schnell ladende Batterien und leistungsfähige Stromnetze entsprechen dem künftigen Bedarf des Marktes. Daher lohnt es sich, die weitere Forschung zu verfolgen.

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