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Mikroporöses Polymer als leistungsfähiger Superkondensator

Für eine neue Generation von Stromspeichermedien könnten Superkondensatoren das Mittel der Wahl sein. Ein neues Material mit Superkondensatoren-Eigenschaften hat nun Dinglin Jiang von den National Institutes of Natural Sciences in Okazaki (Japan) mit seinem Team vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein mikroporöses Polymer mit speziell gerüstförmigem Aufbau. Präsentiert wurde das Material in der Zeitschrift Angewandte Chemie, einer Publikation der Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Für Fahrten in der Stadt sind abgasfreie Elektroautos gut geeignet, für Langstrecken dagegen bisher nicht, erklärt die Gesellschaft. Probleme würde die zu geringe speicherbare Strommenge bereiten, die nur relativ kurze Strecken bis zum nächsten Nachladen erlaube, sowie die begrenzte Stromstärke, die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge limitiere. So genannte Superkondensatoren (Bild) könnten diese Herausforderungen meistern, denn sie 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 arbeiten nach einem anderen Prinzip der Ladungsspeicherung als Akkumulatoren: Sie bestehen aus elektrochemischen Doppelschichten auf Elektroden, die mit einem Elektrolyt befeuchtet sind. Beim Anlegen einer Spannung sammeln sich an beiden Elektroden Ionen entgegengesetzter Ladung und bilden hauchdünne Zonen von unbeweglichen Ladungsträgern. Anders als bei Akkus tritt nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf. Verschiedene Materialien würden sich als Superkondensatoren eignen, aber das wirklich perfekte Material sei bisher noch nicht gefunden. Den Wissenschaftlern in Japan könnte nun ein wichtiger Schritt auf diesem Weg gelungen sein.

Spezielle gerüstartig aufgebaute, mikroporöse organische Polymere seien eine Stoffklasse mit interessanten Eigenschaften. Aufgrund der Anordnungen ihrer Doppelbindungen könne sich ein Teil ihrer Elektronen in ausgedehnten Bereichen des Gerüsts frei bewegen. Daher seien solche Materialien elektrisch leitfähig. Die hohe innere Oberfläche sei wichtig für die Bildung von elektrostatischen Ladungstrennungsschichten in den Poren. Jiang und sein Team haben nun ein stickstoffhaltiges Gerüst synthetisiert, dessen Porengröße optimal sein soll, um Ionen rasch hinein- und hinauszulassen. Das sei die Voraussetzung für eine schnelle Auf- und Entladung. Die Stickstoffzentren sollen zudem mit Ionen des Elektrolyten in Wechselwirkungen treten, die die Ansammlung von Ladungen und die Bewegung von Ionen begünstigen.

Das Zusammenwirken dieser verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften verleihe dem neuen Material ganz außergewöhnlich hohe Stromspeicher-Kapazitäten und hohe Energiedichten. Jiang und seine Kollegen konnten zeigen, dass ihre mikroporösen Gerüste viele Ladezyklen gut überstehen.

(Bild: Continental)
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