Hybrides Superkondensator-Design verspricht schnelleres Laden von Akkus

Forscher an der Queensland University of Technology haben ein weiteres hybrides Superkondensator-Design in den Mix aufgenommen, das die nahezu sofortige Ladung und Entladung eines Superkondensators mit erheblich verbesserter Energiespeicherung auf dem Niveau von NiMH-Batterien verspricht.

Die Schlüsselkonzepte, die hier zu beachten sind, sind die Energiedichte (Wh/kg), die sich auf die Gesamtenergiemenge bezieht, die ein Gerät pro Gewichtseinheit speichern kann, und die Leistungsdichte (W/kg), die sich darauf bezieht, wie schnell das Gerät während des Ladens und Entladens Energie hinein- und herausbewegen kann.

Lithiumbatterien speichern Energie in chemischer Form und sind weit verbreitet, weil sie eine relativ hohe Energiedichte bieten, aber wie jeder weiß, der ein Smartphone oder ein Elektroauto besitzt, laden sie ziemlich langsam. Superkondensatoren hingegen speichern die Energie nicht in chemischer Form, sondern statisch, was bedeutet, dass sie viel, viel schneller geladen und entladen werden können, ohne dass sich ihre internen Strukturen verschlechtern. Daher haben sie eine sehr hohe Leistungsdichte, was jedoch durch die Tatsache ausgeglichen wird, dass ihre Energiedichte viel, viel geringer ist als die von chemischen Batterien.

In letzter Zeit ist in der Forschung viel bei Energiespeichermedien passiert, die irgendwo dazwischen liegen: hybride Superkondensatoren, die sich bei beiden Messgrößen in die Mitte lehnen und viel mehr Energie speichern als ein normaler Superkondensator, während sie fast genauso schnell geladen werden. Die Batterie Ihres Autos oder Telefons hält mit einem solchen Kondensator zwar nicht so lange, aber sie wird so schnell geladen, dass die Reichweite kein Problem mehr darstellt.

In einer neuen Forschungsarbeit, die im Dezember in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, beschreibt das QUT-Team ein Design, das eine kondensatorähnliche negative Elektrode auf Titankarbidbasis und eine batterieähnliche positive Elektrode aus Graphen-Hybrid verwendet. Das Ergebnis, so das Team, ist ein Hybrid-Kondensator mit einer Leistungsdichte (und damit Ladefähigkeit) “etwa 10-mal so hoch wie bei Lithium-Batterien” und einer Energiedichte “nahe der von Nickel-Metallhydrid-Batterien”.

Die tatsächlichen Zahlen sind eine getestete Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg – also etwa 28 Prozent dessen, was heutige EV-Batterien nach dem Stand der Technik bieten – und eine himmelhohe Leistungsdichte von bis zu 1.600 W/kg, wo Lithium-Batterien etwa 250-340 W/kg bieten. Nehmen wir also an, Sie packen eine solche Batterie in das Tesla Model S Plaid+. Statt einer Reichweite von 837 km (520 Meilen) würden Sie eher 233 km (145 Meilen) erreichen, aber Sie könnten mindestens fünfmal schneller aufladen, wenn die Infrastruktur es zulässt. Und ja, die Infrastruktur ist im Moment ein Engpass. Super-High-Rate-Ladestationen werden in den Megawatt-Bereich kommen und das Stromnetz extrem belasten, es sei denn, sie haben riesige Energiespeicherkapazitäten vor Ort.

Die verrückteren Beschleunigungsfreaks unter uns werden sich freuen, dass die Leistungsdichte in beide Richtungen funktioniert, was bedeutet, dass die Batterie kein Hindernis für wirklich monströse Leistungen darstellt. Wo der heutige Plaid+ Tesla lächerliche 1.100+ PS leistet, würde ein Hybrid-Supercap-basiertes Äquivalent ein Batteriepaket haben, das die Motoren mit der fünffachen Leistung versorgen könnte. Völlig unpraktisch, aber das hat Liebhaber von Hochleistungsautos in der Vergangenheit nie aufgehalten.

Das QUT-Team stellt erfreut fest, dass diese Hybrid-Supercaps auch etwa doppelt so lange halten wie Lithium-Batterien auf dem Prüfstand. Nach 10.000 vollständigen Lade-/Entladezyklen behalten sie 90 Prozent ihrer ursprünglichen Speicherkapazität.

Diese Zahlen liegen in der Größenordnung dessen, was Kurt.Energy mit den Low-Density-Hybrid-Powercaps, die es von Shenzen Toomen New Energy erhält, herausfindet, was die Skeleton SuperBattery verspricht und was chinesisch-britische Forscher mit ihrem Design im letzten Jahr herausgefunden haben. Auch wenn es nicht den Anschein hat, dass sie irgendetwas in den Schatten stellen, und ohne unmittelbare Kommerzialisierungspläne, verleiht diese Nachricht dem gesamten Sektor der Hybrid-Superkondensatoren noch mehr akademische Glaubwürdigkeit.

Während Elektroauto-Batterien ein einfacher Vergleichspunkt zur aktuellen Technologie sind, ist es unwahrscheinlich, dass Hybrid-Superkondensatoren die Lithium-Batterien in der Welt der Elektroautos ersetzen werden, wo die Reichweitenangst immer noch ein großes Problem für die Käufer ist. Aber wie Skeleton betont, gibt es viele andere Anwendungen, in denen diese Zwischenlösungen ihren Platz finden werden. Sie könnten die Blei-Säure-Bordnetzbatterien ersetzen, die in den heutigen lithiumbetriebenen EVs noch benötigt werden. Sie eignen sich hervorragend für den reaktionsschnellen Energieausgleich und das Spitzenlastmanagement in industriellen Umgebungen.

Die Forschungsarbeit ist in der Fachzeitschrift Advanced Materials frei zugänglich.