Ein Forscherteam in China hat einen neuen Hybridelektrolyten entwickelt, der Superkondensatoren – Energiespeicher, die für ihre schnelle Ladegeschwindigkeit und lange Lebensdauer bekannt sind – deutlich verbessern könnte. Die Entdeckung könnte große Auswirkungen auf Elektrofahrzeuge und Stromnetze haben.
Superkondensatoren speichern Energie anders als herkömmliche Batterien. Statt chemischer Reaktionen nutzen sie die Trennung von Ionen. Dadurch lassen sie sich deutlich schneller laden und entladen. Sie werden bereits in Technologien wie regenerativem Bremsen und der Netzstabilisierung eingesetzt. Bisher stießen sie jedoch auf erhebliche Einschränkungen.
Die meisten Superkondensatoren basieren auf wasserbasierten Elektrolyten. Diese sind sicherer und günstiger als organische Alternativen, versagen aber bereits bei niedrigen Spannungen, meist unter 1 Volt. Zudem haben sie Probleme mit extremen Temperaturen: Sie gefrieren unter 0 °C und sieden bei 100 °C. Diese Nachteile schränken ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen und anderen anspruchsvollen Umgebungen ein.
Das chinesische Forschungsteam löste dieses Problem mit einer neuen Elektrolytmischung. Ihre Formel kombiniert Wasser, eine ionische Flüssigkeit namens EMIMNTf₂ und Kaliumtrifluormethansulfonat (KOTf). Normalerweise vermischen sich Wasser und ionische Flüssigkeiten nicht, doch das Kaliumsalz hilft, die Wasserstoffbrücken des Wassers neu zu strukturieren, sodass sich die Flüssigkeiten verbinden können.
Diese Änderung verhindert den Zerfall des Wassers und ermöglicht den Betrieb des Superkondensators mit 3.37 Volt, fast der dreifachen üblichen Spannung. Zudem bleibt er von 0 bis 100 °C stabil, was ihn unter realen Bedingungen deutlich nützlicher macht.
Der Prototyp erwies sich zudem als langlebig: Nach 81.8 Lade-Entlade-Zyklen bei 10,000 °C behielt er 60 Prozent seiner Kapazität. Im Vergleich dazu können kommerzielle Superkondensatoren bereits nach 30 Zyklen bis zu 5,000 Prozent ihrer Kapazität verlieren.
Ein weiterer Lichtblick war die Energiedichte. Zwar erreichte das neue Gerät noch nicht das Niveau von Lithium-Ionen-Batterien, kam diesem aber nahe; zudem behielt es die Vorteile der schnellen Lade- und Entladegeschwindigkeit bei, die Superkondensatoren so einzigartig machen.
Es bleiben jedoch Herausforderungen. Der neue Elektrolyt befindet sich noch im Laborstadium. Die Skalierung für die industrielle Produktion erfordert neue Methoden, und bestehende Elektrofahrzeugsysteme müssten grundlegend überarbeitet werden, um die höhere Spannung zu bewältigen.
Experten halten den Durchbruch für vielversprechend, weisen aber darauf hin, dass eine kostengünstige Herstellung erforderlich sei, um mit bestehenden Batterietechnologien konkurrieren zu können. Werden diese Hürden überwunden, könnte das neue System die Abhängigkeit von Lithium verringern und eine nachhaltigere und schnellere Lademöglichkeit bieten.
Die Forschung ist Teil von Chinas umfassendem Vorstoß in die Innovation im Bereich der Energiespeicherung. Seit 2015 hat das Land über 75 % der weltweiten Patente im Zusammenhang mit Superkondensatoren angemeldet. Dieser jüngste Fortschritt unterstützt die weltweiten Bemühungen, die Netzspeicherung zu verbessern und den Verkehr mithilfe saubererer und effizienterer Technologien zu elektrifizieren.
Obwohl es Lithium-Ionen-Batterien in naher Zukunft nicht ersetzen wird, könnte dieses Hybridsystem den Weg für neue Kombinationen ebnen, die die Stärken beider Batterietypen vereinen.
