Dies zeigt eine Studie, die in Science veröffentlicht und von Wissenschaftlern des CNRS (CIRIMAT/RS2E) sowie den Universitäten Cambridge und Lancaster durchgeführt wurde. Ein bedeutender Schritt vorwärts für die Elektrifizierung des städtischen Verkehrs durch Superkondensatoren.
Ähnlich wie Batterien speichern Superkondensatoren Energie, können sich aber in Sekunden oder Minuten aufladen, während Batterien wesentlich mehr Zeit benötigen. Ein Bus, ein Zug oder eine U-Bahn, die mit Superkondensatoren betrieben wird, könnte in der kurzen Zeit eines Haltestellenstopps vollständig aufgeladen werden und hätte genügend Energie, um die nächste Station zu erreichen.
Es wäre daher nicht notwendig, eine Ladeinfrastruktur entlang der Linie zu installieren. Superkondensatoren sind auch viel haltbarer als Batterien und können Millionen von Ladezyklen aushalten. Bevor jedoch ihre Verwendung auf breiter Front realisiert werden kann, muss deren Speicherkapazität verbessert werden.
Zum Speichern und Freigeben elektrischer Energie verlassen sich Superkondensatoren auf die Bewegung geladener Moleküle zwischen porösen Kohlenstoffelektroden, die eine sehr ungeordnete Struktur aufweisen. Um sich diese Struktur vorzustellen, kann man von einem Graphenblatt ausgehen, das eine sehr geordnete Struktur hat, welches man dann zerknüllt. Dadurch entsteht ein ähnliches Durcheinander wie bei den Materialien, die für die Elektroden von Superkondensatoren verwendet werden. Dieses Durcheinander erschwert jedoch die Identifizierung und Optimierung der Leistungsparameter der Materialien. Lange Zeit wurde die Größe der Nanoporen – winzige Löcher in den Kohlenstoffelektroden – als Schlüsselfaktor angesehen.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen dem Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CIRIMAT - CNRS/Toulouse INP/Universität Toulouse III - Paul Sabatier) und den Universitäten Cambridge und Lancaster in England haben Wissenschaftler eine breite Palette von kommerziell erhältlichen nanoporösen Kohlenstoffelektroden analysiert und festgestellt, dass der Effekt der Porengröße, der bei einigen Kohlenstoffen beobachtet wurde, nicht verallgemeinerbar ist. Das Team in Cambridge verwendete anschließend die Nuklearmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR), um diese Reihe von Elektroden zu untersuchen.
Die Kombination von NMR-Spektroskopieanalysen und Computersimulationen ermöglicht es, die Unordnung in den porösen Kohlenstoffen der Superkondensatoren zu charakterisieren und diesen Parameter mit der Leistung der Materialien zu verknüpfen
© Céline Merlet
Diese Analysen, interpretiert durch Modellierungsarbeiten am CIRIMAT, ermöglichten es, den Grad der Unordnung jeder Elektrode zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass das ungeordnete Material – lange Zeit als ein Nachteil betrachtet – tatsächlich von Vorteil ist. Das Team plant, diese Forschungen fortzusetzen, um zu verstehen, warum der Unordnungsgrad, der bei der Synthese der Kohlenstoffelektroden festgelegt wird, so wichtig für die Speicherung der Ionen in den Nanoporen ist.
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Science, sollten die Speicherkapazität von Superkondensatoren erhöhen und deren Verbreitung im städtischen Verkehr fördern.
Die Forschung wurde teilweise vom Cambridge Trusts, dem European Research Council (ERC) und dem UK Research and Innovation (UKRI) unterstützt.
Redakteur: AVR
Referenz:
Strukturelle Unordnung bestimmt die Kapazität in nanoporösen Kohlenstoffen
Xinyu Liu, Dongxun Lyu, Céline Merlet, Matthew J. A. Leesmith Xiao Hua, Zhen Xu, Clare P. Grey & Alexander C. Forse.
Science 2024