Batterien und Superkondensatoren überbrücken – ScienceDaily




Seit Jahrzehnten betrachten Forscher und Technologen Batterien und Kondensatoren als zwei unterschiedliche Energiespeichergeräte – Batterien, die dafür bekannt sind, mehr Energie zu speichern, diese aber langsam abzugeben; Kondensatoren, um es in kleineren Schüben schnell zu entladen. Jede neue Energiespeichervorrichtung wurde daher je nach dem elektrochemischen Mechanismus, der sie ermöglicht, als das eine oder das andere oder als eine Beziehung zu einem der beiden kategorisiert. Aber ein internationales Forscherteam, das führend in der Entwicklung und Erforschung von Energiespeichertechnologien ist, hat nun vorgeschlagen, dass diese Mechanismen tatsächlich in einem glatten Spektrum existieren, und versucht, ein Gerät als „mehr als“ oder „weniger als“ eine Batterie oder zu kategorisieren ein Kondensator könnte den Fortschritt auf diesem Gebiet behindern.

In einem Perspektivpapier, das kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Energie der Naturvermuten Forscher der Drexel University, der North Carolina State University, der University of California, der Vanderbilt University, der Universität des Saarlandes in Deutschland und der Université Paul Sabatier in Frankreich, dass alle elektrochemischen Energiespeichermechanismen irgendwo auf einem Kontinuum zwischen denen, die in Batterien wirken, und denen existieren die Kondensatoren ermöglichen.

„Wir schlagen einen einheitlichen Ansatz vor, der einen Übergang von der ‚binären‘ Sicht der elektrochemischen Ladungsspeicherung in nanobegrenzten Räumen als entweder ein rein elektrostatisches Phänomen oder ein rein faradisches Phänomen beinhaltet“, schreiben sie. „Es sollte eher als kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden betrachtet werden, der durch das Ausmaß der Ionensolvatation und der Ionen-Wirt-Wechselwirkung bestimmt wird.“

Einfach ausgedrückt ist ein Ende des Spektrums eine chemische Bindung – der grundlegende Mechanismus der Verbindung, eine physikalische Verbindung auf atomarer Ebene. Das andere Ende ist eine elektrostatische Anziehung, die vorübergehend Ionen in und auf der Oberfläche eines Materials einfängt.

Das erstgenannte Phänomen, das als Faradsche Reaktion bezeichnet wird, verleiht Batterien ihre hervorragende Energiespeicherkapazität und ermöglicht es ihnen, Ladung allmählich abzugeben. Aber das ist auch der Grund, warum sie so lange zum Aufladen brauchen. Letzteres, eher eine flüchtige Anziehungskraft als eine echte Bindung, ermöglicht die schnellen Energiestöße, die Kamerablitze antreiben, und die kurzfristige Energieaufnahme beim Bremsen von Hybrid- und Elektroautos.

Bei jeder neuen Entwicklung in der Energiespeichertechnologie, sei es eine neue Kombination von Elektrodenmaterialien und Elektrolytlösungen oder physikalische oder chemische Zusätze, um die Übertragung von Ionen einzuschränken oder zu ermöglichen, streben die Forscher danach, den jeweiligen elektrochemischen Speichermechanismus zu beobachten und genau zu charakterisieren.

Die Autoren sagen jedoch, dass diese engen Definitionen in vielen Fällen weder genau noch hilfreich sind, wenn es darum geht, die Geräte auf die sehr spezifischen Energiespeicheranforderungen neuer Technologien zuzuschneiden.

„Was zwischen klassischen Batterien und Superkondensatoren passiert, war lange Zeit ein kontroverses Thema“, sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel’s College of Engineering, der Co-Autor des Artikels war. „Sogenannte ‚Pseudokondensatoren‘ und hybride Energiespeicher werden seit mindestens 30 Jahren untersucht, aber einige Wissenschaftler haben versucht, die Pseudokapazität vollständig abzulehnen, indem sie behaupten, dass es nur diese beiden Extremfälle gibt und alles andere eine Überlagerung von zwei wirkenden Mechanismen ist parallel zu.“

Die Autoren weisen darauf hin, dass in vielen dieser Hybridgeräte Ionen zwischen den Schichten des Elektrodenmaterials nahezu absorbiert werden. In anderen, wo poröse Nanomaterialien in Elektroden entwickelt wurden, um die vollständige chemische Aufnahme oder Adsorption von Ionen zu maximieren, haben Forscher viel schnellere Energieentladungen beobachtet, wahrscheinlich aufgrund der Persistenz der Elektrolytsubstanz, die verhindert, dass die Ionen vollständig interkalieren.

Beide Instanzen liegen außerhalb des Ideals, aber ihre Eigenschaften erweisen sich als wertvolle Kombination, wenn es darum geht, neue Technologien voranzutreiben.

„Wir erwarten, dass das Verständnis der Ionendesolvatation (Ablösen von Ionen von Lösungsmittelmolekülen) und ihrer Rolle bei der Bestimmung des Energiespeichermechanismus es uns ermöglichen wird, den Punkt zu erreichen, an dem wir Hochenergie und Hochleistung in einem einzigen Energiespeichergerät kombinieren“, sagte Gogotsi. „Denken Sie an Akkus, die innerhalb weniger Minuten aufgeladen werden – Sie schließen Ihr Handy an, trennen es ein paar Minuten später und können es mindestens ein paar Stunden lang verwenden. Im Falle von 2D-Materialien wie MXene oder Graphen können wir es herstellen flexible Batterien für flexible und tragbare Elektronik.“

Die Forscher erkennen die Bedeutung der Fahnenträger für die elektrochemische Energiespeicherung an, sowohl für ihre Rolle als Säulen unseres theoretischen Verständnisses des Gebiets als auch als Wegbereiter moderner Technologie. Aber sie argumentieren, dass Fortschritt bedeutet, irgendwo in der Mitte zu arbeiten, mit dem Verständnis, dass ein richtig passendes Energiespeichergerät effektiver sein könnte als eine bessere Batterie oder ein Superkondensator.

„Wir erkennen an, dass es zwei ‚ideale Situationen‘ gibt – Batterien und Superkondensatoren. Für diese Fälle wurden Gleichungen abgeleitet. Und es gibt kommerzielle Geräte, die von Milliarden-Dollar-Industrien hergestellt werden. Aber jetzt wissen wir auch, wie man vorhersagt, konstruiert und herstellt.“ Geräte mit Eigenschaften zwischen herkömmliche Extremfälle“, sagte Volker Presser, PhD, Co-Autor der Universität des Saarlandes in Deutschland und ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter in Gogotsis Gruppe bei Drexel. „Neue Industrien, die flexible, transparente, konforme, tragbare Energiespeicher, Geräte in Kombination mit Energy Harvesting erfordern , und andere unkonventionelle elektrische Energieversorgungen werden stark von der neuen agilen Energiespeicherung profitieren. Und wir bewegen uns in Richtung einer von elektrischer Energie angetriebenen Wirtschaft, dem Internet der Dinge und anderen neuen, fortschrittlichen Technologien für nachhaltige Anwendungen. Daher wird es sehr wichtig sein, diese neuen Geräte als innerhalb eines Spektrums existierend anzuerkennen und daran zu arbeiten, sie zu charakterisieren, anstatt irgendwo an einem Ende davon zu verfehlen.“

Neben Gogotsi, Simon Fleischmann und Veronica Augustyn von der North Carolina State University; Yuan Zhang von der Universität des Saarlandes; Xuepeng Wang von der University of California; Peter T. Cummings von der Vanderbilt University; Jianzhong Wu von der University of California; Patrice Simon von der Université Paul Sabatier; und Volker Presser von der Universität des Saarlandes haben zu dieser Forschung beigetragen.

.