Hochleistungskondensator holt als Stromspeicher auf

Ein Forscherteam unter Leitung von Minoru Osada von der Universität Nagoya hat mit dem National Institute for Materials Sciences (NIMS) einen Kondensator entwickelt, dessen Energiedichte ein bis zwei Größenordnungen höher ist als herkömmliche Speicher. Dies gelang mit Nanoblättern, also Folien, die nur wenige Millionstel Millimeter dick sind, aus Kalzium, Natrium, Niob und Sauerstoff mit einer Perowskit-Kristallstruktur. Der Speicher funktioniert selbst noch bei einer Temperatur von 300 Grad Celsius.

Die Entwicklung könnte Bedürfnissen der Industrie zugutekommen, denn Batterie-Hersteller wünschen sich eine Kondensatoreigenschaft, von der Akkus meilenweit entfernt sind: sekundenschnelles Aufladen. Erzeuger von Kondensatoren wiederum wollen, dass ihre Stromspeicher pro Volumeneinheit mit annähernd so viel Energie beladen werden können wie Batterien. Ein stückweit hat sich der Kondensator-Traum jetzt erfüllt.

Die Perowskit-Struktur gilt als die beste Struktur für Ferroelektrika, da sie hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweist, so Osada. Wir haben herausgefunden, dass durch die Nutzung dieser Eigenschaft ein hohes elektrisches Feld an dielektrische Materialien mit hoher Polarisation angelegt und verlustfrei in elektrostatische Energie umgewandelt werden kann, wodurch die höchste jemals aufgezeichnete Energiedichte erreicht wird. Batterien behalten zwar ihren Vorsprung, aber er wird nun kleiner.

Güte des Dielektrikums zentral

Die Grundstruktur des Kondensators ist eine sandwichartige Folie aus zwei Metallelektroden, die durch eine feste dielektrische Schicht getrennt sind. Dielektrika sind Materialien, die Energie durch einen physikalischen Ladungsverschiebungs-Mechanismus speichern. Von der Güte des Dielektrikums hängt die Speicherdichte ab. Wenn ein elektrisches Feld an den Kondensator angelegt wird, werden positive Ladungen von der negativen Elektrode angezogen. Negative Ladungen werden von der positiven Elektrode angezogen. Bei der Nutzung der Energie, also dem Abzapfen von Strom, fließen die Elektronen zur gegenüberliegenden Elektrode, um beim Beladen wieder kehrtzumachen.

Innovationen in der Energiespeicher-Technologie sind entscheidend für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien und die Massenproduktion von Elektrofahrzeugen. Aktuelle Energiespeicher-Technologien wie Lithium-Ionen-Batterien haben lange Ladezeiten, wegen des Elektrolytabbaus eine relativ kurze Lebensdauer und können vor allem beim Laden in Flammen aufgehen oder sogar explodieren.

Die Forschungsergebnisse erschienen kürzlich im Fachjournal Nano Letters. (pte)