Ultrakondensator oder Lithium-Ionen-Batterie

Ultrakondensator: Energiespeicher der Zukunft?

Ultrakondensator zeigt hat Technologie Zukunft

Ultrakondensator die Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie? Momentan arbeiten viele Wissenschaftler an neuartigen Methoden der Energiespeicherung. Insbesondere hat es sehr viele Innovationen bei Akkumulatoren gegeben. Noch immer besteht bei Batterien das Problem einer langen Ladezeit und des hohen Eigengewichtes. Ein MIT Start-up-Unternehmen geht einen anderen Weg und produziert einen Ultrakondensator, der in der Lage ist zweimal so viel Energie zu speichern und in etwa das zehnfache an Energie abzugeben, wie ein herkömmlicher Kondensator. Dieser Kondensator ist mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichteten Elektroden ausgestattet. Die eingesetzten Materialien sind somit sehr preiswert und kommen beispielsweise auch bei der Herstellung von Solarmodulen zum Einsatz.

 

Ultrakondensator Dieses Bild zeigt den schematischen Aufbau

Als besonders aussichtsreich für den Einsatz von Ultrakondensatoren wären beispielsweise die Bereiche Fahrzeugbau und Maschinenbau zu nennen. Gegenüber Batterien lassen sich Kondensatoren extrem schnell aufladen, des weitern besitzen Sie ein relativ geringes Gewicht, sind nicht so temperaturanfällig wie Batterien und vertragen Vibrationen und Stöße wesentlich besser. Natürlich haben moderne Ultrakondensatoren auch noch Nachteile, bei gleicher Baugröße wie Batterien sind Ultrakondensatoren lediglich in der Lage 5 Prozent dessen an Energie zu speichern, was heutzutage gängige Lithiumionenbatterien speichern können. Da sich diese Technologie aber erst am Anfang ihrer Entwicklung befindet, kann man davon ausgehen, dass diese Technologie in weiten Teilen der Energiespeicherung einmal die Zukunft gehören wird. Schon heute gibt es in Deutschland erste Pilotprojekte, in welchem solar Energie über Wandler in Kondensatoren gespeichert wird. Die zunehmenden Rohstoffpreise, insbesondere für seltene Erden und Metalle, werden dieser Technologie einen zusätzlichen Schub verleihen.

Aufbau und Entwicklung Ultrakondensator:

Elektronenmikrosopaufnahme Ultrakondensator

Heutzutage finden wir Kondensatoren in allen gängigen Elektrogeräten. Diese Kondensatoren bestehen in der Regel aus zwei sich gegenüberliegenden Platten oder Folien. Zwischen diesen beiden Platten befindet sich ein Dielektrikum. Da die Ladungen bei einem Kondensator lediglich auf der Oberfläche der der Platten gespeichert wird, ist die Kapazität eines Kondensators also maßgeblich von dessen verfügbarer Elektrodenoberfläche abhängig. Schon vor geraumer Zeit kamen Entwickler von Kondensatoren daher auf die Idee die Oberfläche der Elektroden zu vergrößern, indem Sie das Material aufrauten bzw. sinterten. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt man auch beim Bau der Ultrakondensatoren. Bei einem Ultrakondensator befinden sich Tausende kleiner Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf den Elektrodenplatten, was ungefähr dem entspräche würde man sich eine grüne Wiese vorstellen. Jedes einzelne dieser Nanoröhrchen ist in der Lage Ladungen aufzunehmen, in der Summe über alle Nanoröhrchen ergibt sich, eine Imens gesteigerte Oberfläche der Elektroden. Zwischen den Platten befindet sich ein Elektrolyt und in der Mitte eine poröse Separatorschicht, die den Kurzschluss verhindert. Mit der Entwicklung dieses Verfahrens wurde 2004, durch die Wissenschaftler Joel Schindall, John G. Kassakian und Riccardo Signorelli begonnen. Zunächst ließen Sie die Nanoröhrchen auf Silizium wachsen, da Silizium aber kein guter Leiter ist, musten Sie nach anderen Materialien Ausschau halten. Nach einer Reihe von Experimenten fanden Sie, dass sich eine Kombination der Materialien Wolfram, Aluminium und Eisenoxid als brauchbarer erwies.

Die ersten Prototypen eines Ultrakondensator

Die Basis bildet die Wolframschicht, auf welche eine dünne Aluminiumschicht als Leiter kommt. Die Eisenoxidschicht bildet die Deckschicht. Im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses wird das Material in einem Ofen erhitzt, wobei die obere Eisenschicht schmilzt und kleine Tröpfchen bildet. Nach der Tröpfchenbildung leiteten die Wissenschaftler Acetylengas über die Oberfläche der Probe, dabei verbindet sich das Eisenoxid mit dem Kohlenstoff aus dem Acetylengas und formt kleine Röhrchen aus Kohlenstoff. Zunächst hatten die Wissenschaftler noch bedenken, ob das Verfahren funktioniert, da hierbei eine Reihe von Faktoren den Erfolg zunichtemachten, konnten. Es stellte sich aber heraus, dass sich ihre Befürchtungen nicht bestätigten. Im Jahre 2008 hatten die Wissenschaftler den Herstellungsprozess soweit optimiert, dass Sie die Firma „Fast Cap Systems“ gründeten. Mit der Unterstützung zahlreicher Geldgeber und finanzieller Hilfen das US-Department of Energy (DOE) sowie weiter Institutionen, beschäftigt das Unternehmen heute 25 Mitarbeiter und verkauft seit Kurzem die erste Generation von Ultrakondensatoren.

Anwendungsbereiche für Ultrakondensatoren:

Joel Schindall einer der führenden Köpfe bei der Entwicklung des Ultrakondensators sieht ein besonders Potenzial darin, dass man eine völlig neue Art des Hybridantriebes für Autos schaffen könnte. Er setzt auf eine Kombination von Batterieantrieb und Ultrakondensator. Hierbei käme es zu einem enormen Performance-Schub für Elektroautos. Durch den superschnellen Zugriff auf die Energie, welche ein Ultrakondensator bietet, wären zum Beispiel so sehr hohe Beschleunigungen für Elektroautos möglich und man könnte die Effizienz der Energierückgewinnung deutlich erhöhen. Ebenfalls denkbar wäre eine Koppelung von sich selbstjustierenden 3d-Solarzellen über einen Motor, der mittels eines Ultrakondensators angetrieben wird.

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