In winzigen Hohlräumen von Superkondensatoren bilden sich kleine Wirbel, die beim Aufladen helfen. Das fand ein Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt heraus. Das bislang unbekannte Phänomen könnte die Entwicklung schnellerer Speicher voranbringen, heißt es in einer Mitteilung der Universität.
Im Unterschied zu Akkus speichern sogenannte Superkondensatoren Energie in elektrischen Doppelschichten: Zwischen zwei Elektroden in einer Flüssigkeit wird eine Spannung angelegt. Die positiven und negativen Ionen bewegen sich dabei in entgegengesetzte Richtungen und sammeln sich in geladenen, nanometerdicken Schichten, den elektrischen Doppelschichten, an den Oberflächen der Elektroden. Um möglichst viel Oberfläche für die Ansammlung von Ionen bereitzustellen, werden in Superkondensatoren poröse Elektroden verwendet, die wie ein Schwamm viele winzige Löcher aufweisen. Weil keine chemischen Reaktionen stattfinden, die in Batterien die Ladezeit bestimmen, können Superkondensatoren in nur wenigen Sekunden oder Minuten geladen werden. Die Ladezeit ist nur durch den Transport der Ionen in den Poren der Elektroden beschränkt.
Hier setzt die Arbeit eines internationalen Forschungsteams unter Leitung der TU Darmstadt an, dessen Ergebnisse nun in der Zeitschrift »Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA« veröffentlicht wurden. Mithilfe von Computersimulationen untersuchte das Team um Aaron Ratschow und Alexander Wagner vom Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik unter Leitung von Professor Steffen Hardt den Aufladungsvorgang einer einzelnen Pore und machten »eine überraschende Entdeckung«: »Bisher ging man davon aus, dass Ionen in Poren durch Diffusion, das heißt durch zufällige molekulare Bewegung, und durch Elektromigration, die Bewegung geladener Teilchen aufgrund elektrischer Felder, transportiert werden.« Das Team fand nun heraus, dass auch die sogenannte Konvektion entscheidend zum Ladungstransport in Poren beiträgt – also eine Strömung, die Teilchen mitnimmt.
Die geladene Schicht von Ionen bildet sich zunächst am Poreneingang und wächst dann in die Pore hinein. Während dieses Vorgangs wirken elektrische Kräfte auf die Flüssigkeit, die sie entlang der Porenwand in die Pore strömen lassen. Weil das Ende der Pore geschlossen ist, entsteht in deren Zentrum eine Gegenströmung aus der Pore heraus. Diese Umwälzströmung trägt nun Ionen mit sich und beschleunigt so den Aufladungsvorgang. Die Analyse zeigt einen deutlichen Einfluss: Unter Vernachlässigung der Konvektion entstehen bei der Vorhersage der Aufladungszeiten Fehler von bis zu 90 Prozent.
Während sich die vorliegende Arbeit auf eine einzelne Pore konzentriert, besteht eine echte poröse Elektrode aus einer Vielzahl von Poren, die miteinander wechselwirken können. Die Ergebnisse legen den Grundstein für die Erforschung von Konvektion bei der Aufladung von Poren und zeigen, wie sich durch die gezielte Wahl von Porengeometrie, Materialien und Betriebsspannung schnellere Aufladungsvorgänge in Superkondensatoren ermöglichen lassen.
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