Elektrolyte für Superkondensatoren

Charakterisierung

Superkondensatoren, Ultrakondensatoren oder elektrochemische Doppelschichtkondensatoren sind weit verbreitete Energiespeicher. Ähnlich wie eine Batterie, bestehen sie aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Beide Technologien werden aufgrund ihrer individuellen Vorzüge in Bezug auf Energiedichte (Batterien) und Leistung (Ultrakondensatoren) häufig komplementär eingesetzt. Der Energiespeichermechanismus unterscheidet sich zwischen beiden Technologien erheblich. Eine Lithium-Ionen-Batterie wandelt elektrische Energie über Redoxreaktionen in chemische Energie um, während ein Superkondensator Energie über einen physikalischen Prozess und der Bildung von Doppelschichten speichert. Die Doppelschichtbildung ist ein sehr schneller Prozess und daher können Superkondensatoren innerhalb von Sekunden geladen und entladen werden, was eine hohe Leistung ermöglicht. Darüber hinaus weisen sie eine sehr lange Zykluslebensdauer (>500.000 Zyklen) auf, da der physikalische Speicherprozess in hohem Maße reversibel ist und idealerweise keine strukturellen Änderungen an den Elektroden auftreten. Die Doppelschichtbildung findet an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt statt und daher müssen die Aktivmaterialien und der Elektrolyt exakt aufeinander abgestimmt werden. Typischerweise wird Aktivkohle mit einer großen Oberfläche als Aktivmaterial sowohl für die positive als auch für die negative Elektrode verwendet, um eine große Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt zu bilden.

Während des Energiespeicherprozesses werden Elektrolyt-Ionen an der Oberfläche der Elektroden adsorbiert und es bilden sich Helmholtz-Doppelschichten aus. In einer solchen Doppelschicht haben die adsorbierten Elektrolyt-Ionen die entgegengesetzte Ladung der Elektrode. Die Betriebsspannung von Superkondensatoren kann theoretisch frei eingestellt werden, ist jedoch durch die elektrochemische Stabilität der Superkondensatorkomponenten, insbesondere durch die Stabilität des Elektrolyten, begrenzt. Neben Doppelschichtkondensatoren sind auch Hybridkondensatoren im Handel erhältlich. Hybridkondensatoren besitzen zwei Elektroden mit unterschiedlichen Eigenschaften, eine wie die einer Lithium-Ionen-Batterie (Anode) und eine ähnlich der eines Ultrakondensators (Kathode).

Anwendungsbereiche

Die am häufigsten verwendeten Elektrolyte in Superkondensatoren bestehen aus Tetraalkylammoniumsalzen, z.B. Tetraethylammoniumtetrafluorborat EtNBF, welche in Acetonitril oder Propylencarbonat gelöst sind. Diese Kombinationen von Salzen und Lösungsmitteln ermöglichen hohe Ionenleitfähigkeiten und niedrige Viskositäten, die für eine schnelle Doppelschichtbildung und somit eine hohe Leistung notwendig sind. Derzeit werden verschiedene Ansätze erforscht, um die Spannung von Superkondensatoren mit Hilfe neuartiger Elektrolyte von heute etwa 2,8 V auf über 3,0 V zu erhöhen. Elektrolyte, die ionische Flüssigkeiten enthalten, sind aufgrund ihres großen elektrochemischen Stabilitätsfensters vielversprechende Alternativen für die Verwendung bei hohen Betriebsspannungen. Allerdings weisen ionische Flüssigkeiten im Allgemeinen höhere Viskositäten und niedrigere Ionenleitfähigkeiten als die gegenwärtig verwendeten Standardelektrolyte auf der Basis von Acetonitril oder Propylencarbonat auf. Für die Verwendung in Ultrakondensatoren sind eine erhöhte Viskosität und eine geringere Leitfähigkeit nachteilig im Hinblick auf ihre Leistungsdichte. Ionische Flüssigkeiten können sowohl als Gemisch mit organischen Lösungsmitteln als auch als “lösungsmittelfreie” Elektrolyte eingesetzt werden