Elektroniknet Logo

City University of Hong Kong

Die wichtige Rolle der Anionen bei Hybridkondensatoren

Capacitor, Jorge Guillen / Pixabay
Der Hybrid- und der Batteriekondensator
© Jorge Guillen / Pixabay

Metall-Ionen-Hybridkondensatoren vereinen die Eigenschaften von Kondensatoren und Batterien und gelten als Energiespeicher der Zukunft. Bislang beschäftigte man sich kaum mit den Anionen im Elektrolyt, doch gut ausgewählte Anionen können die Performance der Bauteile stark verbessern.

Kondensatoren können in kurzer Zeit eine enorme Menge an Ladung aufnehmen und wieder abgeben, während Batterien viel Energie in einem kleinen Volumen speichern können. Um beide Merkmale zu kombinieren, untersuchen Wissenschaftler hybride elektrochemische Zellen, die sowohl kondensator- als auch batterieartige Elektroden enthalten. Unter diesen Zellen haben die Forscher Metall-Ionen-Hybridkondensatoren als besonders vielversprechende Bauelemente identifiziert. Dabei besitzt die positive Elektrode pseudokapazitive Eigenschaften, d.h. sie kann durch Einlagerung der Metallionen auch Energie nach Art einer Batterie speichern, während die negative Elektrode aus einem redoxaktiven Metall besteht.

Allerdings sei ihr Elektrolyt lange vernachlässigt worden, meint Chunyi Zhi, der zusammen mit seinem Team an der City University of Hong Kong Batteriematerialien erforscht. Die Forscher glauben, dass der Typ des Elektrolyt-Anions die Leistung des Bauelements beeinflusst. »Wenn man verstärkt auf die Einführung geeigneter Anionen achtet, lässt sich die Leistung und Energiedichte eines Hybridkondensators effektiv verbessern«, so die Forscher.

Test am Zink-Ionen-Kondensator

Durch pseudokapazitives Verhalten und Ionen-Hybridkondensatoren lässt sich die Energiedichte von Superkondensatoren verbessern. Allerdings hat die Forschung nur die Reaktion der Kationen während des elektrochemischen Prozesses berücksichtigt, sodass die Mechanismen nur mangelhaft verstanden werden.

In einer Studie untersuchten nun die Forscher aus Hongkong die Auswirkungen verschiedener Anionen als Ladungsträger auf das elektrochemische Verhalten von Zink-Ionen-Kondensatoren auf der Basis von Titannitrid (Zn-TiN-Kondensator) untersucht. Dieser Zelltyp besteht aus einer Anode aus metallischem Zink und einer Kathode aus Titannitrid-Nanofasern. Die Nanofasern sind robust, und durch ihre poröse Oberfläche kann der Elektrolyt eindringen.

Relevante Anbieter

City University of Hong Kong, Capacitors
Spezifische Kapazität eines Zink-Ionen-Hybridkondensators mit verschiedenen Anionen im Elektrolyten
© City University of Hong Kong

Zhi und seine Kollegen verglichen die Auswirkungen von drei Elektrolyt-Anionen: Sulfat, Acetat und Chlorid. Sie untersuchten sowohl ihre Bindung an die Oberfläche der Elektrode als auch die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zellen. Das Ergebnis war eindeutig.

Sulfat stach unter den drei untersuchten Anionen hervor. Die Forscher beobachteten, dass Zellen, die auf einem Zinksulfat-Elektrolyten basierten, am besten abschnitten und die Sulfate stärker an die Titannitrid-Oberfläche gebunden waren als die anderen Anionen. Außerdem zeigten mit Sulfat behandelte Elektroden die geringste Selbstentladung. Die Autoren führten die Ergebnisse auf die elektronischen Effekte des Sulfats zurück. Da Sulfat Elektronen anzieht, sorgt es für eine feste Bindung an die Oberflächenatome und verhindert die Selbstentladung der Elektrode, so die Autoren.

City University of Hong Kong, Capacitors
Bei Sulfat im Elektrolyten sinkt die Selbstentladungsrate des Hybridkondensators weniger stark als bei Acetat
© City University of Hong Kong

Höhere Kapazität, niedrigere Selbstentladung

DFT-Berechnungen (Density Functional Theory) deckten die stabile Struktur von TiN-SO4 nach dem Adsorptionsprozess auf. Dadurch kann SO42– am elektrochemischen Prozess teilnehmen und zu einem zweistufigen Mechanismus zur Energiespeicherung durch Adsorption und Interkalation beitragen. Dies verbesserte die Kapazität und bremst die Selbstentladung des Zn-TiN-Kondensators, der eine spezifische Kapazität von 489,8 F/g erreichte und selbst nach 500 Stunden Ruhezeit noch 83,92 Prozent der Ladung beibehielt. Ein Energiespeichersystem, das Anionen in den elektrochemischen Prozess einbezieht, kann die Kapazität und die Selbstentladungsfestigkeit von Ionen-Hybridkondensatoren verbessern.

Bei einem auf Zinksulfat basierenden Zink-Ionen-Hybridkondensator berichteten die Wissenschaftler über einen Hochleistungsbetrieb, der mehr als neun Monate andauerte. Außerdem sind diese Bauelemente biegsam, was besonders für tragbare Elektronik nützlich ist. Die Wissenschaftler testeten das Bauelement in einer elektronischen Uhr und stellten eine ausgezeichnete Leistung fest.

Originalpublikation

Z. Huang, et al.; Effects of Anion Carriers on Capacitance and Self‐Discharge Behaviors of Zinc Ion Capacitors. Angewandte Chemie International Edition, 2020; DOI: 10.1002/anie.202012202


Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

elektroniknet