Osaka Metropolitan University

Elektrolytkondensator für bis zu 300 °C

23. August 2022, 16:41 Uhr | Ralf Higgelke
Osaka Metropolitan University
Symmetrischer Festkörperkondensator mit einer LBSC-SE-Schicht zwischen zwei Elektrodenschichten aus einem LBSC-CNT-Verbundwerkstoff (links), der einen geringen elektrischen Widerstand aufweist und bei bis zu +300 °C betrieben werden kann (rechts).
© Osaka Metropolitan University

Elektrolytkondensatoren sind nicht temperaturfest. Nun hat ein Team der Osaka Metropolitan University einen Festkörperelektrolyten aus der Batterietechnik genutzt, um einen derartigen Kondensator zu entwickeln, der auch bei +300 °C arbeitet.

Elektrolytkondensatoren kommen oft zum Einsatz, um beispielsweise regenerative Bremsenergien bei Zügen sowie Elektro- und Hybridautos und für Blitzschutz-Anlagen aufzunehmen, weil sie sich im Gegensatz zu Batterien schnell laden und entladen lassen. Die meist verwendeten, flüssigen Elektrolyte haben jedoch einen niedrigen Siedepunkt, weshalb solche Bauelemente nur bei Temperaturen unter +80 °C einsetzen lassen. Keramikkondensatoren eignen sich zwar für höhere Temperaturen, allerdings ist ihre Speicherkapazität wesentlich geringer als die von Kondensatoren mit flüssigen Elektrolyten.

Um die Speicherfähigkeit von Kondensatoren zu erhöhen, ist eine große Kontaktfläche an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt erforderlich. Bei festen Elektrolyten ist es schwierig, eine große Kontaktfläche zu erreichen. Daher wurde schon lange ein Kondensator gesucht, der sowohl eine hohe Speicherkapazität hat als auch bei hohen Temperaturen arbeiten kann.

Anleihe aus der Batterietechnik

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Akitoshi Hayashi an der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University hat einen Festelektrolyten entwickelt, der sich stark verformen lässt, sodass er eine große Kontaktfläche mit einer Elektrode bilden kann. Diese Elektrode wurde ursprünglich für eine oxidbasierte Festkörperbatterie entwickelt.

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Symmetrischer Festkörperkondensator mit einer LBSC-SE-Schicht zwischen zwei Elektrodenschichten aus einem LBSC-CNT-Verbundwerkstoff (links), der einen geringen elektrischen Widerstand aufweist und bei bis zu +300 °C betrieben werden kann (rechts).
© Osaka Metropolitan University

In einer Studie stellten die Forschenden einen Verbundwerkstoff aus demselben hochgradig verformbaren Festelektrolyten und Kohlenstoff her, der dann zur Konstruktion beider Elektroden für einen massiven Festkörperkondensator verwendet wurde. Dieses Bauteil kann hohe Ströme liefern und sich bei Temperaturen von +200 bis +300 °C mit hoher Kapazität auf- und entladen. Die Forschenden erwarten, dass sich ihr Kondensator dazu eignet, die Technologien für Hochtemperaturumgebungen zu verbessern, die aufgrund dieser technischen Beschränkungen bisher nicht entwickelt werden konnten.

»Der Schlüssel zum Erfolg bestand darin, die festen oxidischen Elektrolyte, die wir für Lithium-Batterien entwickelt haben und die eine hervorragende Verformbarkeit mit der Leitfähigkeit von Lithium-Ionen kombinieren, auf Kondensatoren anzuwenden«, erklärt Professor Hayashi.

Für die Zukunft hoffen die Forscher, hybride Festkörperkondensatoren mit noch höherer Energiedichte zu konstruieren, indem sie die chemische Reaktion zwischen einem festen Elektrolyten und Kohlenstoff steuern und sie dann mit positiven Elektrodenmaterialien kombinieren, wie sie in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.

Originalpublikation

T. Hakari, et al., Thermally stable bulk-type all-solid-state capacitor with a highly deformable oxide solid electrolyte, Journal of Power Sources, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231821 (Aufgerufen am 23.8.2022)


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