Superschneller Ionentunnel

Wir leben in einer modernen Welt voller Geräte, die mit Strom betrieben werden. Die Entwicklung neuer Technologien sorgt dafür, dass uns Handys, Laptops, Tablets und viele andere mobile Geräte auf Schritt und Tritt begleiten. Am häufigsten werden für die Stromversorgung mobiler Geräte Lithium-Ionen-Batterien, sogenannte Li-Ion-Akkus, verwendet, doch aufgrund ihrer langsamen Aufladung, kurzen Lebensdauer und Umweltschädlichkeit (wegen des hohen Gehalts an Schwermetallen, z.B. Kobalt) wird immer mehr Aufmerksamkeit auf Superkondensatoren gerichtet. Dies sind Geräte, die Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren kombinieren. Was ist damit verbunden? Längere Lebensdauer, einfacheres Recycling und vor allem schnelleres Laden, was Zeitersparnis bedeutet. Schließlich ist Zeit Geld.

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Die Vorteile der Superkondensatoren liegen in ihrem Aufbau, der aus zwei Grundelementen besteht. Das erste ist ein System aus zwei hochporösen Elektroden, die durch ein poröses Material, das sie vor Kurzschlüssen schützt, voneinander getrennt sind. Meistens wird dieser Teil des Superkondensators auf Basis von Aktivkohle hergestellt, die nicht ohne Grund in diesen Geräten verwendet wird. In seinen Poren befindet sich die zweite Schlüsselkomponente des Superkondensators - der Elektrolyt, der Ionen enthält, d.h. Atome, die mit einer elektrischen Ladung ausgestattet sind (positiv geladene - Kationen und negativ geladene - Anionen). Je nach der zwischen den Elektroden angelegten Spannung können sich die Ionen innerhalb des porösen Materials bewegen. Interessanterweise kann umso mehr Energie im Gerät gespeichert werden, je mehr Poren sich im Inneren der Elektroden befinden. Sieht man von Komponenten wie dem Gehäuse usw. ab, könnte man sagen, das war's.

Doch was macht Superkondensatoren zu so vielversprechenden Energiespeichern? Dies sind die bereits erwähnten Poren und die Art und Weise, wie sich die Ionen bewegen. Der Durchmesser und die Länge der Kanäle im Inneren der porösen Elektroden ist entscheidend. Wenn die Poren weit sind, lädt sich das Gerät schnell auf, liefert aber nur wenig Energie, wohingegen bei einer Verringerung des Durchmessers mehr Energie geliefert werden kann, das Gerät aber viel langsamer lädt. Gibt es also eine Möglichkeit, Ionen in engen Poren zu beschleunigen? Darüber schreibt Swjatoslaw Kondrat, Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS), in der Novemberausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Autoren der Forschung verwendeten ein poröses Material auf Kohlenstoffbasis mit einem Porendurchmesser von weniger als einem Nanometer, wobei zu beachten ist, dass 1 nm ein Milliardstel eines Meters ist. Diese Poren sind daher so klein, dass sie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Das Material wurde mit einer ionischen Flüssigkeit getränkt, die nichts anderes als ein Salz in flüssigem Zustand ist, aber kein Lösungsmittel wie Wasser enthält. Die ionische Flüssigkeit ist also ein verflüssigtes Salz. Die Ionen aus der ionischen Flüssigkeit füllen die Poren, und wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, beginnen sie sich zu bewegen. Aber was passiert, wenn die Polarisierung länger anhält? Bewegen sich alle Ionen mit der gleichen Geschwindigkeit? Leider verhalten sich die Ionen innerhalb der Elektroden wie Autos in einem Tunnel, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Außerdem bewegt sich jeder von ihnen auf einer Spur, nicht auf mehreren wie auf einer Autobahn. Wenn auch nur ein Auto stecken bleibt, beginnen die anderen zu bremsen. Dadurch nimmt die Kapazität des Tunnels ab und es bildet sich ein Stau. Das Gleiche passiert mit den Poren, die im Superkondensator stellenweise verstopfen. Dies führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrads des Geräts, insbesondere zu einer Verkürzung der Ladezeit.