{"id":26491,"date":"2022-03-17T15:00:29","date_gmt":"2022-03-17T15:00:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.leibniz-inm.de\/press-report\/hohe-speicherkapazitaet-und-kurze-ladezeit-die-nanowelt-zwischen-batterie-und-kondensator-eroeffnet-neue-perspektiven-2\/"},"modified":"2024-04-04T11:05:12","modified_gmt":"2024-04-04T11:05:12","slug":"hohe-speicherkapazitaet-und-kurze-ladezeit-die-nanowelt-zwischen-batterie-und-kondensator-eroeffnet-neue-perspektiven","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.leibniz-inm.de\/en\/press-releases\/hohe-speicherkapazitaet-und-kurze-ladezeit-die-nanowelt-zwischen-batterie-und-kondensator-eroeffnet-neue-perspektiven\/","title":{"rendered":"Hohe Speicherkapazit\u00e4t und kurze Ladezeit \u2013 Die Nanowelt zwischen Batterie und Kondensator er\u00f6ffnet neue Perspektiven"},"content":{"rendered":"

Superkondensatoren und Batterien sind Energiespeichertypen mit unterschiedlichen Vorteilen. W\u00e4hrend Batterien mit hohen Speicherkapazit\u00e4ten punkten, \u00fcberzeugt bei den Superkondensatoren die kurze Ladezeit. Gibt es Schnittmengen bei den zugrundeliegenden Technologien? Lassen sich die Vorteile aus beiden Welten verbinden? Damit besch\u00e4ftigt sich das Autorenteam um Prof. Volker Presser vom Saarbr\u00fccker Leibniz-Institut f\u00fcr Neue Materialien (INM) und Dr. Simon Fleischmann, Helmholtz-Institut Ulm (HIU), in ihrem Perspektivartikel im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Energy.<\/p>\n

Zeit ist ein kostbares Gut. Dies gilt insbesondere f\u00fcr elektrochemische Energiespeicher: der fast leere Handy-Akku kurz vor dem Verlassen des Hauses oder das E-Auto, das noch ein paar Stunden an der Steckdose bleiben muss, bevor man zum Verwandtenbesuch aufbrechen kann. In solchen F\u00e4llen w\u00fcnscht man sich m\u00f6glichst kurze Aufladezeiten. Schnelle Lade- und Entladeprozesse sind jedoch f\u00fcr die Elektrodenmaterialien in Batterien extrem belastend und verk\u00fcrzen deren Lebensdauer. Superkondensatoren haben dieses Problem nicht: Anders als in Batterien werden hier keine Ionen in Kristallgitter eingebaut, sondern nur an der enorm gro\u00dfen Oberfl\u00e4che von Aktivkohle angelagert. Damit speichern sie zwar deutlich weniger Energie als Batterien, es reichen aber wenige Sekunden aus, um die Zelle wieder zu laden.<\/p>\n

Um das Beste aus beiden Welten miteinander zu verbinden, forscht die Wissenschaft intensiv an sogenannten Pseudokondensatoren. Dies sind elektrochemische Energiespeicher, die sich elektrisch wie ein Kondensator verhalten und damit besonders schnell geladen werden k\u00f6nnen. Ihr Energiespeichermechanismus hingegen funktioniert wie bei einer Batterie:\u00a0 Energie wird durch Ioneneinlagerung in Kristallgittern gespeichert. Diese besonderen Eigenschaften k\u00f6nnen h\u00e4ufig durch den Einsatz von 2D-Materialien als Elektroden erreicht werden. Dr. Simon Fleischmann, ehemaliger INM-Mitarbeiter und Doktorand der Universit\u00e4t des Saarlandes und heute Nachwuchsgruppenleiter am Helmholtz-Institut Ulm f\u00fchrt aus: \u201eDas besondere an 2D-Materialien ist ihr flexibler Zwischenschichtraum. Durch eine gezielte Einstellung der Netzebenenabst\u00e4nde im Bereich um 1\u00a0Nanometer k\u00f6nnen wir interessante Nanoeffekte im so genannten \u201econfinement\u201c beobachten.\u201c Damit gemeint ist, dass sich Ionen und Elektrolyte, die man zum Ionentransport ben\u00f6tigt, in so kleinen Nanor\u00e4umen ganz anders verhalten als in einem gro\u00dfen Volumen oder an einer Oberfl\u00e4che. Das richtige \u201ematching\u201c von Ionengr\u00f6\u00dfe, Elektrolyt und Nanoraum des Elektrodengitters kann eine deutliche Steigerung der Energiespeicherkapazit\u00e4t und Schnellladef\u00e4higkeit erm\u00f6glichen.<\/p>\n

Der Speichermechanismus der Pseudokondensatoren wurde bislang entweder Kondensatoren oder Batterien zugeordnet. Die aktuelle Forschungsarbeit eines internationalen Teams unter Leitung von Prof. Veronica Augustyn von der North Carolina State University hat nun ein vereinheitlichendes Konzept hierzu etabliert. \u201eWir sehen einen kontinuierlichen \u00dcbergang von ganz klassischen Lithium-Ionen-Batteriematerialien bis hin zu idealer Aktivkohle\u201c, erkl\u00e4rt Volker Presser, Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM. \u201eEs ist wichtig, diesen graduellen \u00dcbergang von Elektrosorption bis hin zur Interkalation als Spektrum zu verstehen. Je nach Gr\u00f6\u00dfe und Geometrie des Nanoraums werden Ionen (teilweise) ihre Elektrolyth\u00fclle abstreifen und k\u00f6nnen Redox-Prozesse durchlaufen.\u201c Womit man wieder bei 2D-Materialien wie MXenen oder schichtstrukturierten Metalloxiden ist. \u201eGerade der Zwischenschichtraum von 2D-Materialien ist eine gro\u00dfartige Spielwiese f\u00fcr uns in der Materialwissenschaft. Hier k\u00f6nnen wir mittels gezieltem Materialdesign schnellen Ionentransport und hohe Energiespeicherkapazit\u00e4t durch reversible Redox-Prozesse kombinieren\u201c, erg\u00e4nzt Simon Fleischmann.<\/p>\n

Das Perspective Paper \u201eContinuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes\u201c in der aktuellen Ausgabe von Nature Energy ist Teil der langj\u00e4hrigen Amerikanisch-Deutsch-Franz\u00f6sischen Kooperation des INM und wichtiger Gegenstand des BMBF-gef\u00f6rderten NanoMatFutur Projektes von Dr. Fleischmann am Helmholtz-Institut Ulm.<\/p>\n

Bibliografische Daten<\/p>\n

Fleischmann, S., Zhang, Y., Wang, X.\u00a0et al.<\/i>\u00a0Continuous transition from double-layer to Faradaic charge storage in confined electrolytes.\u00a0Nat Energy<\/i>\u00a0(2022). https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41560-022-00993-z<\/a><\/p>\n

220317 PM Nanowelt zwischen Batterie und Kondensator<\/a><\/p>\n

Experten<\/p>\n

Prof. Dr. Volker Presser
\nLeiter des Programmbereichs Energie-Materialien des INM
\nTel.: ++49 (0)681 9300 244
\nE-Mail: volker.presser@leibniz-inm.de<\/a><\/p>\n

Dr. Simon Fleischmann
\nKIT-Nachwuchsgruppenleiter
\nTel.: +49 (0)731 50 34-213
\nE-Mail: simon.fleischmann@kit.edu<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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