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Natrium-Ionen-Kondensatoren

Bindeglied zwischen Superkondensator und Akku

22. Juni 2020, 13:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Bindeglied zwischen Superkondensator und Akku
© Science China Press

Beim Natrium-Ionen-Kondensator mit Nb2O5-Anode bleiben die Kapazität und die Coulomb-Effizienz auch nach 1500 Zyklen sehr stabil. Damit eignet er sich als Bindeglied zwischen Superkondensator und Lithium-Ionen-Akku.

Hybride Natrium-Ionen-Kondensatoren könnten die Lücke zwischen Superkondensatoren und Akkus schließen. Chinesische Forscher haben nun passende Elektrodenmaterialien vorgestellt. Damit seien reversible Kapazitäten von 175 mAh pro Gramm bei einer Stromdichte von 1 A pro Gramm möglich.

Bei Natrium-Ionen-Kondensatoren (Sodium-Ion Capacitors, SICs) war bislang das Design geeigneter Anodenmaterialien mit schnellem kinetischem Verhalten sowie langer Lebensdauer in Abstimmung mit den Kathodenelektroden eine Herausforderung. Kürzlich haben gemeinsame Forschungsgruppen der Pekinger University of Science and Technology und des Institute of Semiconductors der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Nb2O5-Nanoröhren und Übergänge zwischen solchen Nanoröhren zu Nanodraht auf Kohlenstoffgewebe über einen einfachen hydrothermalen Prozess direkt synthetisiert.

Die so hergestellten Nanoröhren zeigten eine hohe reversible Kapazität von 175 mAh/g bei einer Stromdichte von 1 A/g mit einer Coulomb-Effizienz von 97 Prozent nach 1500 Zyklen. Darüber hinaus zeigten die mit Nb2O5-Nanoröhren und Elektrodenmaterialien aus Aktivkohle hergestellten Natrium-Ionen-Kondensatoren eine Energiedichte von 195 Wh/kg bei 120 W/kg, eine Leistungsdichte von 7328 W/kg bei 28 Wh/kg und 80 Prozent der Kapazitätserhaltung nach 5000 Zyklen.

Sodium-Ion Capacitor
© Science China Press

Bild 1: Schematische Darstellung des Wachstums von Nb2O5-basierten Materialien auf Kohlenstoffgewebe.

Prof. Guozhen Shen erklärte: »Obwohl Niob-Oxid chemisch stabil ist und große interplanare Abstände aufweist, leitet es elektrischen Strom relativ schlecht. Um dies zu überwinden, züchteten wir Nb2O5-Nanomaterialien mit unterschiedlicher Morphologie direkt auf den Stromkollektoren aus Kohlenstoffgewebe und nutzten dabei den Synergieeffekt von Pyridin und des pH-Wertes der Säurelösung« (Bild 1)

Die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der hergestellten Materialien wurden systematisch untersucht. Die Studien ergaben, dass die Nanoröhren eine große spezifische Oberfläche und ein großes Porenvolumen aufweisen. Dadurch entstehen mehr aktive Stellen, die an elektrochemischen Reaktionen beteiligt sind. Die Elektrode auf Basis von Nb2O5-Nanoröhren besitzt nicht nur eine gute elektrische Leitfähigkeit, sondern reduziert auch die volumetrische Ausdehnung, die durch die Einlagerung und den Abfluss von Natriumionen verursacht wird.

Sodium-Ion Capacitor
© Science China Press

Die Eigenschaften flexibler Natrium-Ionen-Kondensatoren auf der Basis der röhrenförmigen Nb2O5-Elektroden. (a) Schematische Darstellung der Komponente. (b) Fotografien der flexiblen Bauelemente, die eine LED bei verschiedenen Biegewinkeln betreiben. (c) Zykluseigenschaften der biegsamen SICs bei verschiedenen Biegebedingungen. (d) Zyklenfestigkeit der Bauelemente über einen langen Zeitraum ohne Biegung.

»All diese Vorteile tragen zu einer guten elektrochemischen Leistung von Natrium-Ionen-Kondensatoren bei, so Prof. Shen weiter. »Darüber hinaus können die biegsamen Bauelemente unter verschiedenen Biegezuständen ganz normal arbeiten. Die Nb2O5-Nanoröhren in dieser Forschungsarbeit können vielversprechende Elektrodenmaterialien für biegsame und tragbare Energiespeicher sein.«

Originalpublikation

R. Jia, et al.; Nb2O5 nanotubes on carbon cloth for high performance sodiumion capacitors; Science China Materials (2020); DOI: 10.1007/s40843-020-1278-9

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