08.06.2011 - Angewandte Chemie

Puffer für das Stromnetz?

Neuer Herstellprozess für Elektroden aus NiO/Ni-Nanokompositen für Superkondensatoren

Der Umstieg auf regenerativen Energiequellen wie Wind und Sonne ist nur noch eine Frage der Zeit. Da Wind und Sonnenstrahlung nicht immer gleich stark sind, wird die Zunahme an regenerativen Quellen deutliche Schwankungen im Stromnetz mit sich bringen, die über Stromspeicher abgefangen werden müssen. So genannte Superkondensatoren könnten hier gute Dienste leisten. John Q. Xiao und sein Team von der University of Delaware (Newark, USA) hat nun einen neuen Prozess zur Herstellung von Elektroden aus Nickeloxid/Nickel-Nanokompositen für elektrochemische Superkondensatoren entwickelt. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ist der Prozess einfach, kostengünstig und gut in den großtechnischen Maßstab übertragbar.

Superkondensatoren vereinen die Vorteile von herkömmlichen Kondensatoren und Batterien: Wie ein Kondensator können sie bei Bedarf rasch hohe Stromdichten liefern, gleichzeitig speichern sie wie eine Batterie eine hohe Menge elektrischer Energie. Superkondensatoren bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Polarität und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern.

Das Problem: Die meisten Prozesse zur Herstellung der benötigten nanostrukturierten Elektroden sind entweder zu empfindlich für den industriellen Maßstab oder es müssen Additive zugegeben werden, die dann hinterher die Funktion der Elektroden stören, teilweise sind auch die elektrischen Widerstände der Materialien zu hoch. Das Team hat nun einen neuen Prozess zur Herstellung von Elektroden aus einem Nickeloxid/Nickel-Nanokomposit entwickelt, der diese Einschränkungen überwinden kann.

Zunächst stellen die Wissenschaftler Nickelnanopartikel her. Hochsiedende mehrwertige Alkohole, so genannte Polyole, dienen als Reaktionsmedium. Diese bedecken die Wachstumsflächen der Kristallkeime, sodass kleine sphärische Partikel entstehen. Anschließend werden die Nanopartikel zu Pellets zusammengepresst und auf einer Seite eine hauchfeine Platinschicht aufgetragen, die später als Stromkollektor wirkt. Durch Aufschmelzen bei 250 °C bildet sich eine Schicht aus Nickeloxid (NiO) um die Pellets, welche die eigentliche aktive Schicht des Superkondensators ist. So entstehen kompakte, stabile, aber hochporöse Ni/NiO-Elektroden, die ohne Trägermaterialien auskommen. Als Elektrolyt dient Kaliumhydroxyd (KOH).

Beim Aufladeprozess werden OH-Ionen an das NiO gebunden und dabei Elektronen abgegeben. Der Prozess kehrt sich um, wenn die so gespeicherte elektrische Energie wieder als Strom abgezogen wird. Durch die sehr starke Körnung hat das Material eine hohe innere Oberfläche und bietet den Ionen gute Diffusionswege. Gleichzeitig ist aber das leitende Netzwerk der Metallkerne gut erhalten, was wichtig für eine hohe elektrische Leitfähigkeit ist. Diese Charakteristika sind Grund für die erstaunlich hohe Kapazität der Elektroden sowie ihre hohe Leistungsdichte und Stromdichte während der Lade/Entlade-Zyklen.

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