Batterien, Superkondensatoren & Brennstoffzellen

Batterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren sind Systeme mit unterschiedlichen elektrochemischen Energiespeicher- und -umwandlungsmechanismen, aber ähnlichen elektrochemischen Eigenschaften für Anwendungen mit hoher Energie- und Leistungsdichte.

Batterien

Eine Batterie besteht aus Elektroden (Kathode (+) und Anode (-)), einem leitfähigen Elektrolyten und einem Separator zwischen Anode und Kathode. In wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wandern monovalente Lithiumkationen zwischen den Elektroden. Beim Entladen oxidiert die Anode (-) (verliert Elektronen) und die Kathode wird reduziert (gewinnt Elektronen). Beim Aufladen kehrt sich dieser Vorgang um. Aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte, verbesserter Sicherheit und niedrigeren Materialkosten haben LIB die Elektronikindustrie revolutioniert und sind in viele Bereiche unseres Lebens, von mobilen Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen, integriert. Im Jahr 2019 wurde der Nobelpreis für Chemie an die Wissenschaftler verliehen, welche die LIB-Technologie entwickelt haben.

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem leitfähigen Elektrolyten und werden oft in Reihe geschaltet, um die Gesamtmenge der erzeugten Elektrizität zu erhöhen. Die Elektrode besteht aus einem porösen Material, das mit einem Katalysator zur Stromerzeugung beschichtet ist. Es gibt fünf Haupttypen von Brennstoffzellen, die sich durch die Art des verwendeten Elektrolyten unterscheiden: Polymerelektrolytmembran, Festoxid, Phosphorsäure, Alkali und geschmolzenes Karbonat. Die Polymerelektrolytmembran, auch bekannt als Protonenaustauschmembran (PEM), gilt als die vielversprechendste Technologie, um die alkalische Brennstoffzellentechnologie zu ersetzen.

Brennstoffzellen wurden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer geringen Emissionen und ihrer geringen Umweltauswirkungen als alternative Energietechnologie entwickelt, die den herkömmlichen Verbrennungsmotoren den Rang abläuft. Brennstoffzellen erzeugen Wasser als Abfallprodukt, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Energiequellen in einer Vielzahl von Anwendungen macht. Hierzu gehören tragbare und stationäre Geräte und Transportlösungen.

Superkondensatoren

Die Komponenten von Superkondensatoren sind ähnlich denen von Batterien. Superkondensatoren zeichnen sich jedoch durch ihre Fähigkeit zur Ladungsspeicherung aus. Die Elektrodenmaterialien tragen zur Speicherleistung eines Superkondensators bei und können in drei Kategorien eingeteilt werden: Doppelschichtkondensatoren, die elektrostatisch wirken, Pseudokondensatoren, die elektrochemisch wirken, und Hybridkondensatoren, die beides nutzen.

Superkondensatoren sind eine Energiequelle mit hoher Dichte, hoher Energiespeicherkapazität, langer Haltbarkeit und Schnellaufladefähigkeit, was sie ideal für Anwendungen in Hybridfahrzeugen, tragbaren Geräten und für die Energiegewinnung macht.