Einem interdisziplinären Team von Wissenschaftlern der Montanuniversität Leoben, dem Institut für Neue Materialien in Saarbrücken und der TU Graz gelang es kürzlich, eine vollkommen neuartige Methode zur Untersuchung von Ionen beim Laden und Entladen sogenannter Superkondensatoren zu entwickeln.

Backcover der Juni 2015 Ausgabe der Zeitschrift „Energy & Environmental Science”.

Die Publikation „Tracking the structural arrangement of ions in carbon supercapacitor nanopores using in-situ small-angle X-ray scattering“ konnte in der renommierten Zeitschrift „Energy & Environmental Science“ (EES) veröffentlicht werden. EES gilt als eine der weltweit wichtigsten Zeitschriften mit dem höchsten Impact Factor (15,49) aller Zeitschriften in den Energie- und Umweltwissenschaften. Von den internationalen Gutachtern wurde die Leobner Arbeit als besonders interessant gewertet und als einer von drei besonders hervorgehobenen „Hot Articles“ des Monats April 2015 ausgewählt. Außerdem ziert ein Bild der Arbeit das „Backcover“ der aktuellen Druckausgabe (Juni 2015) von EES.

Die effiziente und schnelle Speicherung von elektrischer Energie spielt eine entscheidende Rolle bei  einem nachhaltigen Energiemanagement basierend auf grünen Technologien. Dies trifft sowohl für neue Formen der Energieerzeugung als auch für die E-Mobilität oder die Mikroelektronik zu. Superkondensatoren sind moderne Energiespeicher mit besonders hohen Leistungsdichten und zyklischer Stabilität. Obwohl im prinzipiellen Aufbau einer Batterie nicht unähnlich, basiert die Speicherung der elektrischen Energie wie bei einem Kondensator auf einem rein physikalischen Prinzip. Entgegengesetzte Ladungen von Ionen im Elektrolyten und Elektronen bzw. Löchern in der Elektrode ziehen sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt elektrostatisch an und ermöglichen so die Speicherung von elektrischer Energie. Um möglichst viel Energie an der Grenzfläche zu speichern  muss  diese so groß wie möglich sein. Daher bestehen die Elektroden von Superkondensatoren aus hoch-porösem Kohlenstoff, welcher pro Gramm des Materials eine unvorstellbare große Oberfläche von mehreren tausend Quadratmetern aufweist. Die winzigen Poren innerhalb der verwendeten Kohlenstoffelektroden sind dabei kaum größer als die Ionen selbst.  Mit herkömmlichen elektrochemischen Untersuchungsmethoden können nur sehr beschränkt Aussagen über den Transport und die Anordnung der Ionen in dieser begrenzten Geometrie auf atomarer Skala getroffen werden.

Am Institut für Physik der Montanuniversität Leoben wurde nun ein vielversprechender  methodischer Ansatz zur Untersuchung solcher Phänomene basierend auf der sogenannten Röntgenkleinwinkelstreuung entwickelt. „Durch „in-operando“ Röntgenmessungen sind wir in der Lage den Ionen „live“ während des Lade- bzw. Entladezyklus eines funktionierenden Superkondensators auf die Finger zu schauen. Dadurch konnten wir experimentell bisher nicht zugängliche Information über Ionentransport und –struktur erstmals messbar machen“, erklärt Dipl.-Ing. Christian Prehal vom Institut für Physik. Die Messungen die Prehal im Rahmen seiner laufenden Doktorarbeit durchgeführt hat, wurden an der hauseigenen Röntgenanlage in Leoben und an der Großforschungsanlage ELETTRA in Triest durchgeführt.

„Superkondensatoren sind bereits heute überall dort eine echte Alternative zu Batterien, wo elektrische Energie sehr schnell gespeichert bzw. bereitgestellt werden muss. Um diese Technologie weiterzuentwickeln, ist es absolut unerlässlich ein grundlegendes Verständnis des Verhaltens  von Ionen in nanoporösen Kohlenstoffen zu erlangen“, so Prof. Oskar Paris, Leiter des Instituts für Physik und Koautor der Arbeit. „Ich freue mich, dass wir als Grundlagenforscher hier etwas beitragen konnten, und dass wir in einem gerade gestarteten Projekt im Rahmen der „Energieforschung“ des österreichischen Klima- und Energiefonds für weitere drei Jahre an diesem Thema forschen können.

Details zur Publikation: C. Prehal, D. Weingarth, E. Perre, R. T. Lechner, H. Amenitsch, O. Paris and V. Presser, Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1725-1735.

Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Oskar Paris
Institut für Physik
Tel.: +43 3842 402-4600
E-Mail: oskar.paris(at)unileoben.ac.at