Chinesischer Durchbruch erhöht die Spannung und Stabilität von Superkondensatoren auf Wasserbasis

Superkondensatoren speichern Energie anders als herkömmliche Batterien. Anstatt chemische Reaktionen zu nutzen, basieren sie auf der Trennung von Ionen. Dadurch können sie viel schneller geladen und entladen werden. Sie werden bereits in Technologien wie dem regenerativen Bremsen und der Netzstabilisierung eingesetzt. Doch bisher stoßen sie auf ernste Grenzen.

Die meisten Superkondensatoren basieren auf Elektrolyten auf Wasserbasis. Diese sind sicherer und billiger als organische Alternativen, aber sie brechen bei niedrigen Spannungen, in der Regel unter 1 Volt, zusammen. Außerdem haben sie mit extremen Temperaturen zu kämpfen: Sie gefrieren unter 0 °C und kochen bei 100 °C. Diese Nachteile haben ihre Verwendung in Elektrofahrzeugen und anderen anspruchsvollen Umgebungen eingeschränkt.

Das chinesische Forscherteam ging dieses Problem mit einer neuen Elektrolytmischung an. Ihre Formel kombiniert Wasser, eine ionische Flüssigkeit namens EMIMNTf₂ und Kaliumtrifluoromethansulfonat (KOTf). Normalerweise vermischen sich Wasser und ionische Flüssigkeiten nicht, aber das Kaliumsalz trägt dazu bei, die Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers umzustrukturieren, so dass sich die Flüssigkeiten verbinden können.

Diese Veränderung verhindert, dass das Wasser zerfällt, so dass der Superkondensator mit einer Spannung von 3,37 Volt betrieben werden kann, was fast dem Dreifachen der üblichen Spannung entspricht. Außerdem bleibt er von 0 bis 100 °C stabil, was ihn unter realen Bedingungen sehr viel nützlicher macht.

Der Prototyp erwies sich auch als langlebig: Er behielt 81,8% seiner Kapazität nach 10.000 Lade-Entlade-Zyklen bei 60°C. Im Vergleich dazu können kommerzielle Superkondensatoren nach nur 5.000 Zyklen bis zu 30% ihrer Kapazität verlieren.

Die Energiedichte war ein weiterer Lichtblick. Das neue Gerät erreichte zwar immer noch nicht das Niveau von Lithium-Ionen-Batterien, kam aber nahe daran heran; außerdem behielt es die Vorteile der schnellen Aufladung und Entladung bei, die Superkondensatoren einzigartig machen.

Es gibt jedoch noch Herausforderungen. Der neue Elektrolyt befindet sich noch im Laborstadium. Die Skalierung für die industrielle Produktion erfordert neue Methoden, und die bestehenden Elektroautosysteme müssten erheblich umgestaltet werden, um die höhere Spannung zu bewältigen.

Experten halten den Durchbruch für vielversprechend, weisen aber darauf hin, dass eine kosteneffiziente Herstellung erforderlich ist, bevor das System mit bestehenden Batterietechnologien konkurrieren kann. Wenn diese Hürden überwunden sind, könnte das neue System die Abhängigkeit von Lithium verringern und eine nachhaltigere und schneller aufladbare Option bieten.

Die Forschungsarbeiten sind Teil von Chinas breit angelegtem Innovationsschub im Bereich der Energiespeicherung. Seit 2015 hat das Land mehr als 75% an weltweiten Patenten im Zusammenhang mit Superkondensatoren angemeldet. Dieser jüngste Fortschritt unterstützt die weltweiten Bemühungen zur Verbesserung der Netzspeicherung und zur Elektrifizierung des Verkehrs mit saubereren, effizienteren Technologien.

Auch wenn es die Lithium-Ionen-Batterien in absehbarer Zeit nicht ersetzen wird, könnte dieses Hybridsystem den Weg für neue Kombinationen ebnen, die die Stärken beider Batterietypen vereinen.