Superkondensator, ich nenne Sie „Batterie“, wagen Sie es, zuzustimmen?

Batterien sind in unserem Leben allgegenwärtig, doch Kondensatoren und Superkondensatoren sind vielen Lesern möglicherweise unbekannt. Tatsächlich finden sowohl Batterien als auch Kondensatoren in der Produktion und im Alltag umfangreiche und wichtige Anwendung. Beide sind typische Vertreter der chemischen Speicherung elektrischer Energie und der physikalischen Speicherung elektrischer Energie. Insbesondere Superkondensatoren vereinen die Eigenschaften von Kondensatoren und Batterien und absorbieren im Prinzip beides, wodurch sie zu einer Art elektrochemischem Gerät mit einzigartigen Eigenschaften und breiter Anwendung werden. Mit der Entwicklung der Chemie, Physik und Materialwissenschaften verschwimmen die Grenzen zwischen chemischer und physikalischer Energiespeicherung zunehmend. Batterien, Kondensatoren und Superkondensatoren vereinen das Beste voneinander, um die menschlichen Bedürfnisse besser zu erfüllen und der gesellschaftlichen Entwicklung zu dienen.

Geschrieben von Li Cunpu (Professor der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Universität Chongqing)

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Die Speicherung elektrischer Energie verstehen

Die Entwicklung und Anwendung elektrischer Energie ist der Schlüssel zur Modernisierung der Menschheit und ermöglicht es, die menschliche Energienutzung auf ein neues Niveau zu bringen. Elektrisches Licht, Telegrafen, elektronische Computer, mobile Kommunikationsgeräte – der Bedarf und die Nutzung elektrischer Energie durch den modernen Menschen verändern sich mit jedem Tag. In Kraftwerken wird elektrische Energie aus thermischer Energie, mechanischer Energie, Sonnenenergie, Windenergie und anderen Energiequellen erzeugt und über das Stromnetz an die Stromverbraucher übertragen. Für die Übertragung und Verwendung sind keine speziellen Arbeitsstoffe (Arbeitsflüssigkeiten) erforderlich. Diese Eigenschaft ist der Schlüssel zu seiner weitverbreiteten Anwendung, stellt aber auch ein Hindernis für seine Speicherung dar.

Neben der Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie ist auch deren effiziente Speicherung und Freisetzung ein wichtiges Anliegen von Wissenschaft und Industrie. Die Entwicklung von Speichern für elektrische Energie hat viele Gründe, aber letztlich gibt es nur zwei: Zum einen die Regulierung und Anbindung an das Netz am vorgelagerten Produktionsende und zum anderen die netzunabhängige Nutzung am nachgelagerten Verbrauchsende. Im vorgelagerten Bereich der Stromerzeugung können Windenergie, Solarenergie usw. nur zeitweise Strom erzeugen, was im natürlichen Widerspruch zur stabilen Nachfrage nach Stromversorgung aus dem Stromnetz steht. Um ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu erreichen, muss Strom gespeichert und freigegeben werden. Obwohl Strom mittlerweile an Tausende von Haushalten geliefert werden kann, besteht für die Verbraucher nachgelagert ein natürlicher Widerspruch zwischen dem Spitzen- und Talungleichgewicht beim Stromverbrauch und der stabilen Stromversorgung. Andererseits erfordert der Strombedarf von Elektrofahrzeugen, Außenstrom, mobilen Kommunikationsgeräten usw., die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, die Speicherung und Freigabe von Strom.

Leider ist für die Übertragung und Nutzung elektrischer Energie kein Arbeitsfluid erforderlich, was es uns erschwert, geeignete Objekte oder Geräte zur direkten Speicherung elektrischer Energie zu finden. Die ultimative Lösung des Problems könnte die Supraleitung sein, da sie Elektronen, einen wichtigen Träger elektrischer Energie, ungehindert in supraleitenden Geräten speichert. Da supraleitende Geräte jedoch eine Umgebung mit niedrigen Temperaturen benötigen, ist die beim Kühlvorgang verbrauchte elektrische Energie weitaus größer als die in den supraleitenden Geräten gespeicherte Energie. Daher ist die wirtschaftlichste Option die Entwicklung von Energiespeichern, bevor die Supraleitung bei Raumtemperatur tatsächlich genutzt wird.

Wenn wir über Speichergeräte für elektrische Energie nachdenken, ist die grundlegendste Anforderung, wie viel Energie gespeichert/freigegeben werden kann. Am Beispiel des Gleichstroms haben wir die Grundformel zur Berechnung der elektrischen Energiemenge bereits im Physikunterricht der Mittelstufe gemeistert:

Dabei ist ΔU die Menge der gespeicherten/freigegebenen/übertragenen elektrischen Energie (in Joule), ΔV die Potentialdifferenz oder Spannung zwischen den positiven und negativen Elektroden der elektrischen Energie (in Volt) und Q die Menge der gespeicherten/freigegebenen/übertragenen Elektrizität (in Coulomb). Wenn die Übertragung elektrischer Energie mit konstanter Spannung und konstantem Strom erfolgt, ist Q gleich dem Strom (in Ampere) multipliziert mit der Zeit t. Natürlich soll in diesem Artikel nicht der elektrische Teil der Physik der Mittelstufe besprochen werden, aber die obige Formel (1) kann uns helfen zu verstehen, was wir tun müssen, wenn wir elektrische Energie speichern möchten: Erhöhen Sie die Spannung ΔV und erhöhen Sie die Menge der gespeicherten Elektrizität Q.

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Chemische Leistungsbatterien und physikalische Leistungskondensatoren

Die beiden derzeit gängigsten Methoden zur Speicherung elektrischer Energie sind Batterien und Kondensatoren (und Superkondensatoren), die auch repräsentative Geräte für die chemische bzw. physikalische Speicherung elektrischer Energie sind.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des Aufbaus und Prinzips von Batterien und Kondensatoren. Die Abbildung zeigt den Entladezustand des Geräts.

2.1 Chemische Energiequelle – Batterie

Batterien sind derzeit die am häufigsten verwendeten Geräte zur Speicherung und Umwandlung elektrischer Energie. Das Prinzip besteht darin, eine chemische Reaktion zu entwerfen, die spontan ist ( ΔG < 0 ) und einen Elektronentransfer beinhaltet , die Oxidations- und Reduktionshalbreaktionen physikalisch zu isolieren, Elektronen so zu leiten, dass sie durch den externen Stromkreis wandern, um elektrische Energie freizusetzen, und gleichzeitig die Reaktionsschleife durch die Ionenwanderung im internen Stromkreis zu schließen. Der obige Prozess wandelt freie Energie direkt in elektrische Energie um:

Dabei ist ΔG die Gibbs-Freienergie der Reaktion (die zugleich der Kehrwert von ΔU ist, der Menge an elektrischer Energie, die gespeichert werden kann; die Einheit ist Kilojoule pro Mol), n die Anzahl der bei der chemischen Reaktion übertragenen Elektronen, F die Faraday-Konstante und ΔV die Potentialdifferenz (Spannung) der Reaktion. Im Vergleich zum Stromerzeugungsprozess, bei dem chemische Substanzen verbrannt werden, um Wärmeenergie zu erzeugen – Wärmeenergie treibt den Kolben an, um Arbeit zu verrichten, und wird in mechanische Energie umgewandelt – mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt –, umgehen Energiespeicherbatterien die theoretische Effizienzgrenze des Carnot-Zyklus zur Umwandlung von Wärmeenergie in chemische Energie, und es kommt zu keinem Verlust an Wärmeeffizienz bei der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Daher verfügen sie über den höchsten theoretischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.

Wie in der linken Abbildung von Abbildung 1 gezeigt, beginnen die Elektronen im externen Stromkreis am Beispiel der weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterie, wenn sich die Batterie im Entladezustand befindet, von der negativen Elektrode aus und gelangen durch das Elektrogerät zur positiven Elektrode. Das positive Elektrodenmaterial erhält Elektronen, um eine Reduktionsreaktion durchzuführen, und gleichzeitig werden Lithiumionen in das positive Elektrodenmaterial eingebettet, um sicherzustellen, dass das positive Elektrodenmaterial nicht aufgeladen wird. Das Material der negativen Elektrode verliert Elektronen und durchläuft eine Oxidationsreaktion, während die Lithiumionen die negative Elektrode verlassen und in die Elektrolytlösung gelangen. Aufgrund der Aufnahme und Abgabe von Elektronen an den positiven und negativen Elektroden und der damit einhergehenden Aufnahme und Abgabe positiv geladener Lithiumionen sind die positiven und negativen Elektroden der Batterie im Betriebszustand ladungslos und die Spannung der freigesetzten elektrischen Energie ergibt sich aus der Differenz des chemischen Potenzials der Materialien der positiven und negativen Elektroden. In Lithium-Ionen-Batterien gewinnen oder verlieren Lithium-Ionen Elektronen nicht direkt, sondern schließen den Lade- und Entladevorgang durch das Einfügen/Entnehmen von Lithium-Ionen ab. Wenn die Batterie in Betrieb ist, ist die Struktur der festen positiven und negativen Elektrodenmaterialien stabil und die Lithiumionenkonzentration des Elektrolyten bleibt stabil, was die Betriebsspannung der Batterie stabil macht und der Schlüssel zum kommerziellen Erfolg von Lithium-Ionen-Batterien ist.

2.2 Physikalische Stromversorgung - Kondensator

Im Vergleich zu Batterien, bei denen es sich um chemische Energiequellen handelt, die chemische Reaktionen zur Speicherung elektrischer Energie nutzen, ist das Prinzip von Kondensatoren direkter. Kehren wir zur Lektion über Flachkondensatoren im Physikunterricht der Oberstufe zurück. Wie aus der Abbildung in Abbildung 1 hervorgeht, findet im Betrieb keine chemische Reaktion im Kondensator statt. Die Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials des geladenen Kondensators trägt überschüssige Elektronen, und die entsprechende Anzahl positiver Ladungen dieser Elektronen wird auf der Oberfläche des positiven Elektrodenmaterials gespeichert. Wenn der Kondensator entladen wird, gelangen die überschüssigen Elektronen an der negativen Elektrode über das Elektrogerät zur positiven Elektrode, wodurch die positive Ladung der positiven Elektrode neutralisiert wird und gleichzeitig das Material der negativen Elektrode wieder elektrisch neutral wird. Bei einem Flachplattenkondensator können die gespeicherte Ladung und Energie mit Hilfe der Formeln (3) und (4) berechnet werden:

Dabei ist Q die im Kondensator gespeicherte Ladung, ΔV die Spannung des Kondensators und C die Kapazität des Kondensators. Man kann feststellen, dass die Kapazität C eines Kondensators mit dem Material und der Struktur des Kondensators zusammenhängt, wobei die wichtigste physikalische Größe des Materials die Dielektrizitätskonstante ε ist:

In Formel (5) ist S die Elektrodenfläche des Flachplattenkondensators, d der Abstand zwischen den Platten und ε die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen den Kondensatorelektroden. Dielektrika sind eine Art nichtleitendes Material mit einer bestimmten Polarität. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, werden sie durch die elektrischen Feldlinien ausgerichtet und bilden ein Gegenfeld in die entgegengesetzte Richtung des externen elektrischen Felds. Je stärker das vom Dielektrikum gebildete elektrische Gegenfeld ist, desto mehr Ladung müssen die positiven und negativen Platten des Kondensators ansammeln, um es auszugleichen. Dadurch verbessert sich die Fähigkeit des Kondensators, Ladung zu speichern – das heißt, die Energiespeicherkapazität des Kondensators wird verbessert.

2.3 Batterien vs. Kondensatoren

Wenn wir die Energiespeicherprinzipien von Batterien und Kondensatoren vergleichen, können wir feststellen, dass ihre jeweiligen Eigenschaften durch ihre Prinzipien bestimmt werden: Batterien haben eine große Energiespeicherkapazität, eine stabile Entladeplattform und eine lange Lagerzeit, aber eine langsame Lade-/Entladegeschwindigkeit; Kondensatoren haben eine geringe Energiespeicherkapazität, eine instabile Entladeplattform und eine kurze Speicherzeit, aber eine schnelle Lade-/Entladegeschwindigkeit.

Um den Unterschied zwischen Batterien und Kondensatoren zu verstehen, ist es hilfreich, sich darauf zu konzentrieren, was sie leisten, wenn sie aufgeladen werden. Wie in der linken Abbildung von Abbildung 2 gezeigt, ist beim Laden der Batterie die negative Elektrode des Ladegeräts mit der negativen Elektrode der Batterie verbunden. Da die reduzierende Eigenschaft (Fähigkeit, Elektronen abzugeben) der negativen Elektrode des Ladegeräts stärker ist als die des negativen Elektrodenmaterials der Batterie, erhält das negative Elektrodenmaterial der Batterie gemäß dem Prinzip „Die Schwachen werden geschlagen“ Elektronen, um eine Reduktionsreaktion durchzuführen. Gleichzeitig gelangen positiv geladene Kationen in das Material der negativen Elektrode und bilden ein Ladeprodukt der negativen Elektrode der Batterie, um die elektrische Neutralität des Materials sicherzustellen. Die positive Elektrode der Batterie reagiert beim Laden ähnlich wie die negative Elektrode. Da Batterien zur Speicherung elektrischer Energie die Redoxreaktionen einer großen Menge an Materialien in den Elektroden nutzen, ist ihre Ladungsspeicherkapazität sehr groß. Beispielsweise können Lithium-Ionen-Batterien eine Energiedichte von 300Wh/kg erreichen (gespeicherte elektrische Energie pro Gewichtseinheit, also 0,3 kWh Strom pro Kilogramm Batterie). Da sie auf der Redoxreaktion des Elektrodenmaterials beruhen, sind die positiven und negativen Elektrodenmaterialien der Batterie häufig keine guten Leiter, wie beispielsweise Oxide, Kohlenstoffmaterialien und Nitride. Darüber hinaus sind die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und die Migrationsgeschwindigkeit von Ionen in den Elektrodenmaterialien gering, sodass die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Batterie langsamer ist als die des Kondensators. Nachdem die Batterie vollständig geladen und das Ladegerät getrennt wurde, gibt es im Inneren der Batterie kein elektrisches Feld mehr, da die positiven und negativen Elektroden der Batterie elektrisch neutral sind und die Batterie lange gelagert werden kann.

Abbildung 2 Schematische Darstellung der Ladeziele und -prozesse von Batterien und Kondensatoren

Bei Kondensatoren sind, wie in der rechten Abbildung von Abbildung 2 gezeigt, sowohl der Plus- als auch der Minuspol des Kondensators Leiter. Wenn der Kondensator an ein Ladegerät angeschlossen wird, nimmt der Minuspol des Kondensators Elektronen auf, mit dem Ziel, einen äquipotentialen Körper mit dem Minuspol des Ladegeräts zu bilden (eine inhärente Eigenschaft des Leiters). In ähnlicher Weise werden die Elektronen am Pluspol des Kondensators entfernt, bis das Potenzial dem des Pluspols des Ladegeräts entspricht. Bei diesem Vorgang werden tatsächlich Elektronen von der positiven Elektrode des Kondensators durch das Ladegerät zur negativen Elektrode übertragen. Das ultimative Ziel besteht darin, dass die positiven und negativen Elektroden des Kondensators jeweils Äquipotentialkörper mit den positiven und negativen Elektroden des Ladegeräts bilden – ein 5-V-Ladegerät lädt den Kondensator natürlich auf 5 V auf. Wie viel Ladung jedoch zwischen der positiven und der negativen Elektrode übertragen wird (oder wie viele Elektronen sich an der negativen Elektrode ansammeln), hängt vom Dielektrikum im Inneren des Kondensators ab. Nehmen wir als Beispiel das Laden mit einem 5-V-Ladegerät: Da sich die Ladungen an den positiven und negativen Elektroden ansammeln, wird im Inneren des Kondensators ein elektrisches Feld erzeugt. Die elektrische Feldstärke E multipliziert mit dem Abstand d zwischen der positiven und negativen Elektrode ergibt die Potentialdifferenz ΔV des Kondensators.

Das Ziel des Ladens ist ganz klar: Es besteht darin, eine Potentialdifferenz von 5 V zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu erreichen. Da jedoch die Polarität des Dielektrikums ein elektrisches Gegenfeld erzeugt, wird das elektrische Feld E im Kondensator geschwächt. Daher müssen die positiven und negativen Platten mehr Ladungen ansammeln, um das elektrische Feld E zu erhöhen und das Ziel von ΔV=5V zu erreichen. Je stärker die Fähigkeit des Elektrolyten ist, ein elektrisches Gegenfeld zu erzeugen, desto mehr Ladung kann der Kondensator speichern, d. h. desto mehr Energie.

Gemäß den Eigenschaften von Leiteräquipotentialkörpern können die positiven und negativen Platten eines Kondensators nur Ladungen auf der Elektrodenoberfläche speichern und die natürlich gespeicherte Energie ist sehr gering (im Allgemeinen weniger als 10 Wh/kg). Aber aus der Perspektive der Lade- und Entladegeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Elektronenübertragung im Leiter extrem hoch. Daher verfügen Kondensatoren, die elektrische Energie auf physikalischen Prinzipien speichern, über bessere Lade- und Entladegeschwindigkeiten und die Lade- und Entladeleistung ist wesentlich höher als bei Batterien. (Obwohl die Kapazität des Kondensators gering ist, dauert das vollständige Aufladen Millisekunden, während das superschnelle Aufladen der Batterie ebenfalls 20 bis 30 Minuten dauert, d. h. die Ladegeschwindigkeit des Kondensators ist 1 Million Mal so hoch wie die der Batterie.) Da die Kondensatorplatten nach dem vollständigen Aufladen Ladung führen und im Inneren ein elektrisches Feld vorhanden ist, befindet sich der Kondensator nach dem vollständigen Aufladen in einem „instabilen“ Zustand. Daher entlädt sich der Kondensator während des Lagerungsprozesses schneller selbst (verliert an Leistung) und kann nicht so lange gelagert werden wie eine Batterie.

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Superkondensatoren

Wie bereits erwähnt, nutzen Batterien chemische Reaktionen zur Speicherung von Energie. Sie speichern viel, aber langsam. Kondensatoren nutzen physikalische Prinzipien zum Speichern von Ladungen. Sie speichern Ladungen schnell, aber in kleinen Mengen. Ist es also möglich, die Eigenschaften beider zu kombinieren, um einen Energiespeicher zu entwickeln, der sowohl schnell als auch gut ist?

Superkondensatoren könnten ein guter Anfang sein. Dem Namen nach scheinen Superkondensatoren lediglich die Pro-Max-Version von Kondensatoren zu sein. Tatsächlich bezeichnet das „Super“ in Superkondensatoren jedoch nicht einfach eine verbesserte Version von Kondensatoren, sondern einen Gerätetyp, der die Prinzipien von Batterien und Kondensatoren umfassend nutzt. Bei Kondensatoren kann durch das Prinzip der physikalischen Energiespeicherung ein schnelles Laden und Entladen des Gerätes erreicht werden, wodurch der hohe Leistungsbedarf aus praktischer Sicht gedeckt werden kann. Wenn wir auf die vorherige Formel (5) zurückblicken, werden aufgrund der strukturellen Beschränkungen des Kondensators Verbesserungen aus struktureller Sicht hauptsächlich durch die Verringerung des Abstands d zwischen der positiven und der negativen Elektrode erreicht. Ist der Abstand jedoch zu gering, kann es leicht zu Kurzschlüssen und damit zum Ausfall des Kondensators kommen. Aus stofflicher Sicht wird die Kapazitätsverbesserung hauptsächlich durch eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums erreicht. Aufgrund der molekularen Eigenschaften des Dielektrikums ist das von ihm bereitgestellte elektrische Rückfeld jedoch sehr begrenzt, was die sprunghafte Verbesserung der Kapazität des Kondensators einschränkt.

Die Besonderheit von Superkondensatoren (nachfolgend „Superkondensatoren“ genannt) besteht darin, dass sie batterieähnliche Elektrolyte verwenden, die Anionen und Kationen enthalten, um die Dielektrika in herkömmlichen Kondensatoren zu ersetzen. Dadurch kann d erheblich reduziert werden (von 1 mm auf 1 nm, eine Reduzierung um das 10-6-fache; stellen Sie sich vor, Ihr Darlehen würde ein Millionstel dessen betragen, was es jetzt ist, so super ist das) und die Elektrodenfläche S erheblich vergrößert werden (stellen Sie sich vor, Ihr Gehalt würde um das 1-Millionen-fache steigen, so super ist das). Wie in Abbildung 3 dargestellt, trägt bei einem vollständig geladenen Superkondensator die negative Elektrode eine negative Ladung und die positive Elektrode eine positive Ladung. Im Gegensatz zu einem Kondensator besteht das Innere eines Superkondensators jedoch nicht mehr aus einem dielektrischen Molekül, das sich nur in eine bestimmte Richtung drehen und polarisieren kann, um ein umgekehrtes elektrisches Feld zu erzeugen, sondern aus einem Elektrolyten mit Anionen und Kationen. Daher sammeln sich die Kationen im Elektrolyt auf der Seite der negativen Elektrode und bilden mit der negativen Elektrodenplatte eine „Doppelschicht“. In ähnlicher Weise wandern die Anionen zur positiven Elektrodenseite und bilden mit der positiven Elektrodenplatte eine „Doppelschicht“ [1-2] .

Abbildung 3 Die linke Abbildung ist ein schematisches Diagramm der Superkondensatorstruktur, das den Entladezustand des Geräts zeigt. Die Abbildung rechts zeigt eine Methode zur Vergrößerung der spezifischen Oberfläche von Elektroden [3]

Jede elektrische Doppelschicht kann als ein „Kondensator“ betrachtet werden, der zwischen den wandernden Ionen und der Elektrode gebildet wird. Da der Abstand zwischen den Ionen und der Elektrode sehr gering ist (im nm-Bereich), wird das d in Formel (5) stark reduziert. Gleichzeitig kann durch die Konstruktion poröser Kern-Schale- und anderer Elektrodenmaterialstrukturen die spezifische Oberfläche des Elektrodenmaterials erheblich vergrößert werden, wodurch eine sprunghafte Verbesserung von S erreicht wird. Wenn daher S zunimmt und d abnimmt, kann der C des Superkondensators natürlich dramatisch ansteigen.

Abbildung 4 Das Doppelschichtprinzip von Superkondensatoren und drei gängige Typen von Pseudokondensatoren [4]

Neben der Verwendung von Elektrolyten als Ersatz für Dielektrika, um mithilfe der doppelten elektrischen Schicht einen „Super“-Effekt zu erzielen, ist auch die „Pseudokondensator“-Strategie eine wichtige Methode für Superkondensatoren, um deren Kapazität weiter zu erhöhen.

„Pseudo“ ist, wie der Name schon sagt, eine Fälschung. Es nutzt zwar nicht wirklich das Prinzip der Ladungsakkumulation in Doppelmonoschicht zur Ladungsspeicherung, weist jedoch ähnliche Eigenschaften wie Kondensatoren auf. „Pseudokapazität“ umfasst drei allgemeine Prinzipien, wie etwa die opportunistische Niedrigpotentialstrategie, die darin besteht, einige Ionen bei einem niedrigeren Reduktionspotential an der Elektrodenoberfläche zu adsorbieren, was für eine zusätzliche Ladungsakkumulation sorgt; Am weitesten verbreitet ist die Verwendung der Redoxreaktion an der Elektrodenschnittstelle zur Speicherung zusätzlicher elektrischer Energie, anstatt sich ausschließlich auf die physikalische Ladungsansammlung zu verlassen. Beispielsweise können Elektrodenmaterialien wie Rutheniumdioxid und Mangandioxid, Ruthenium- und Manganelemente durch Aufnahme und Abgabe von Elektronen ihre Valenz ändern, wodurch die Materialoberfläche zusätzliche Ladungen tragen kann, was zu einer deutlichen Kapazitätssteigerung führt. Darüber hinaus gibt es auch eine Ioneninterkalationsmethode, ähnlich dem Prinzip von Lithium-Ionen-Batterien, um zusätzliche Ladung in den Elektroden zu speichern. Es lässt sich feststellen, dass die oben genannten pseudokapazitiven Strategien alle die Fähigkeit von Superkondensatoren verbessern, Ladung durch zusätzliche chemische Reaktionen zu speichern, was Superkondensatoren zu einem repräsentativen Gerät zur Speicherung von Energie auf der Grundlage umfassender physikalischer und chemischer Prinzipien macht.

Derzeit kann die Energiedichte von Superkondensatoren 40 Wh/kg erreichen und übertrifft damit die von Blei-Säure-Batterien. Obwohl im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Ionen-Batterien können 300 Wh/kg erreichen) noch eine große Lücke besteht, werden Superkondensatoren in der heutigen Produktion und im Alltag häufig eingesetzt, da sie die Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren vereinen und einzigartige Vorteile beim schnellen Laden und Entladen bieten. Beispielsweise verwendet der Bus Nr. 930 in Shanghai Superkondensatoren als Stromversorgungsgeräte. Der Bus kann beim Anhalten am Bahnsteig zum Ein- und Aussteigen von Fahrgästen schnell aufgeladen werden und kann die zusätzliche Energie anschließend problemlos nutzen, um zur nächsten Haltestelle zu fahren und dort weiter aufzuladen. Da kein Ladevorgang an einer Ladestation erforderlich ist, arbeitet das Auto effizient und vermeidet potenzielle Sicherheitsprobleme mit Lithium-Ionen-Batterien. Dank ihrer hohen Leistungsmerkmale können Superkondensatoren bei der Verwendung mit Lithium-Ionen-Batterien Kapazitäts- und Leistungsvorteile vereinen und finden zunehmend Anwendung in der Spitzenlastregulierung im Stromnetz, der Energiespeicherung, beim Starten von Fahrzeugen und in anderen Bereichen. Ich bin überzeugt, dass Superkondensatoren in Zukunft in elektronischen Geräten der Unterhaltungselektronik zu finden sein werden: Ob es sich um einen Kamerablitz handelt oder um die starke Vibration eines Gamecontrollers, wenn man einem Schicksalsmenschen den Befehl zum Kampf gibt – die Hochleistungseigenschaften von Superkondensatoren können den Benutzern ein intimeres Erlebnis bieten.

Abschluss

Ob Batterien, Kondensatoren oder Superkondensatoren – sie alle sind das Ergebnis kontinuierlicher Forschung, Überlegungen und Versuche der Wissenschaftler nach Möglichkeiten zur Speicherung elektrischer Energie. Wir haben außerdem festgestellt, dass mit der kontinuierlichen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie die Grenzen der Physik und Chemie bei der Speicherung elektrischer Energie schon lange verschwimmen. Die umfassende Nutzung des Wissens aus verschiedenen Disziplinen, um Menschen bei der Entwicklung besserer Speichergeräte für elektrische Energie zu unterstützen, ist die Richtung, an der die akademische Gemeinschaft weiterhin intensiv arbeitet, und es ist auch die einzige Möglichkeit, den wachsenden Energiebedarf der Menschen zu decken.

Sun Wukong hält einen „Superkondensator“

Verweise

[1] JM Crow, Schnelllade-Superkondensatoren, Chemistry World

[2] Chem. Rev. 2022, 122, 12, 10821–10859.

[3] Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 3303.

[4] Chem. Rev. 2018, 118, 18, 9233–9280.

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