In kleinere Löcher passt mehr hinein

Wenn man etwas aufbewahren will, garantieren größere Behälter ein höheres Fassungsvermögen. Bei speziellen Kondensatoren scheint diese Regel nicht mehr zu gelten.

Wir leben alle in riesengroßen Kondensatoren. Das merkt man zum Beispiel dann, wenn man an der Türklinke einen elektrischen Schlag bekommt – der eigene Körper stellt dann die eine Elektrode des Kondensators dar, die durch ein isolierendes Dielektrikum (die Luft) von der anderen Elektrode (den Zimmerwänden) getrennt ist. Wie viel elektrische Energie das Kondensatorfeld speichern kann, hängt unter anderem vom Abstand der Elektroden und von deren Oberfläche ab. Ein unordentliches, voll gestelltes Zimmer, bewohnt von einem faltigen, fülligen Freak dürfte, zumindest in Sachen Energiespeicherung, das Optimum darstellen.

Für die großtechnische Anwendung ist solch ein Aufbau allerdings eher unpraktisch. Die Techniker sind deshalb schnell die nächsten Schritte gegangen – und haben unter anderem den Elektrolytkondensator (bei dem eine Elektrode flüssig ist) und schließlich auch den Doppelschichtkondensator erfunden. Der heißt hierzulande auch sporadisch Super-Kondensator (in der englischsprachigen Literatur taucht der super capacitor weit häufiger auf), was darauf hindeutet, dass er eine besondere Eigenschaft besitzt: Er weist nämlich die höchste Energiedichte aller Kondensatoren auf.

Die Bezeichnung "Doppelschicht" verrät die Besonderheit dieses vom Elektrolytkondensator abstammenden Typs: Der Doppelschicht-Kondensator besteht aus zwei Elektroden mit großer Grundfläche, die in eine dünne Elektrolytschicht eingetaucht sind. Man lädt einen derartigen Kondensator, indem man eine Spannung anlegt – und prompt sammeln sich an den Elektroden mehrere Moleküllagen geladener Ionen. Das Prinzip klingt ähnlich wie das einer Batterie – allerdings handelt es sich hier nicht um einen chemischen Vorgang, sondern um ein elektrostatisches Prinzip. Die Superkondensatoren können die in ihnen gespeicherte Ladung deshalb auch besonders schnell wieder hergeben. Dass sie besonders viel Energie speichern können, liegt an der großen Fläche der Elektroden (etwa aus Aktivkohle) und deren geringen Abstand im Nanometerbereich.

Großtechnisch ersetzen Doppelschicht-Kondensatoren mittlerweile in einigen Anwendungsbereichen die Akkumulatoren – sie erreichen zwar noch nicht deren Energiedichte, lassen sich aber deutlich schneller laden. Und auch in Sachen Energiedichte ist das letzte Wort nicht gesprochen: Die Wissenschaft untersucht heute, wie sich die Elektrodenoberfläche maximieren ließe. Dass die verwendeten Kohlenstoff-Elektroden eine derart große Oberfläche aufweisen, daran sind die vielen kleinen Poren schuld, mit denen sie durchsetzt sind. Könnte man diese Poren noch verkleinern, würde das die Oberfläche weiter vergrößern.

Bisher war man dabei allerdings der Meinung, dass es da eine prinzipielle Grenze gibt: Wenn man annimmt, dass sich die Ionen vor der Oberfläche sammeln sollen, dürften die kleinen Kanäle eigentlich nicht kleiner sein als die Ionen selbst, vor allem, da diese aufgrund ihrer Ladung auch normalerweise noch von weiteren Molekülen umgeben sind, ihrer Lösungswolke. Forscher aus den USA und Frankreich zeigen nun in einer in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science erschienenen Arbeit (doi: 10.1126/science.1132195, auch online veröffentlicht), dass das nicht zwangsläufig ist: Mit einem speziellen Verfahren gelang es den Wissenschaftlern um Juri Gogotsi, Kohlenstoffelektroden zu erzeugen, die Poren von nur 0,6 Nanometern Durchmesser enthielten. Als sie die Speicherfähigkeiten damit aufgebauter Doppelschicht-Kondensatoren untersuchten, zeigte sich, dass das veränderte Material nicht (wie zunächst vermutet) unnütz war: es speicherte 50 Prozent mehr Ladung als das Standard-Material. Die Ionen mussten sich also offensichtlich mit all ihrer Begleitung in die winzigen Strukturen eingefädelt haben – oder sie ließen ihre Begleitung im Stich.

Die Forscher vermuten, dass die Lösungswolke jedes Ions stark verzerrt wird, und das Ion dann trotzdem in die Poren passt. Dass es dem Team um Gogotsi erstmals gelungen ist, bestimmte Porendurchmesser auf Anforderung herzustellen, könnte sich in Zukunft ebenfalls noch als nützlich erweisen: bei einem Hybrid-Fahrzeug kommt es eher auf hohe Energiedichte bei langer Entladungszeit an (also auf kleine Poren), bei Pulsstromanwendungen könnte hingegen eine Erhöhung der Porendurchmesser die Wirkungsweise verbessern.

http://www.heise.de/tp/artikel/23/23389/1.html