Bio-Superkondensator lädt E-Autos in Minuten

Neuartig, flexibel, leichtgewichtig und kostengünstig”

Forscher der Texas A&M University (TAMU) haben einen neuartigen, flexiblen, leichtgewichtigen und kostengünstigen Energiespeicher auf Pflanzenbasis entwickelt, der in naher Zukunft Geräte – sogar Elektroautos – innerhalb weniger Minuten aufladen könnte. Er funktioniert mittels einer speziellen „grünen“ Elektrode aus einem Holzstoff und Mangandioxid.  Dadurch bleibe die Ladekapazität noch nach tausenden von Ladezyklen stabil, versprechen die Erfinder.  in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Energy Storage (Free Access) beschrieben.

“Die Integration von Biomaterialien in Energiespeichergeräte war schwierig, da es schwierig ist, die daraus resultierenden elektrischen Eigenschaften zu kontrollieren, was dann den Lebenszyklus und die Leistung der Geräte stark beeinträchtigt. Außerdem benötigt die Herstellung von Biomaterialien meist chemische Behandlungen, die gefährlich sind”, sagte Hong Liang, Oscar S. Wyatt Jr. Professor in der J. Mike Walker ’66 Abteilung für Maschinenbau. “Wir haben ein umweltfreundliches Energiespeichergerät entwickelt, das eine überlegene elektrische Leistung hat und einfach, sicher und zu viel niedrigeren Kosten hergestellt werden kann”.

Energiespeicher sind meist entweder Batterien oder Superkondensatoren. Obwohl beide Arten von Geräten bei Bedarf elektrische Ströme liefern können, weisen sie einige grundlegende Unterschiede auf. Während Batterien große Ladungsmengen pro Volumeneinheit speichern können, sind Superkondensatoren viel effizienter bei der Erzeugung einer großen Menge elektrischen Stroms innerhalb kurzer Zeit. Dieser Stromstoß hilft Superkondensatoren, Geräte schnell aufzuladen, im Gegensatz zu Batterien, die viel länger brauchen können.

Für ihre Arbeit verwendeten Liang und ihr Team Mangandioxid-Nanopartikeln für eine der beiden Superkondensator-Elektroden: “Mangandioxid ist billiger, im Überfluss verfügbar und sicherer im Vergleich zu anderen Übergangsmetalloxiden wie Ruthenium- oder Zinkoxid, die häufig zur Herstellung von Elektroden verwendet werden”, sagte Liang. “Aber ein wesentlicher Nachteil von Mangandioxid ist, dass es geringer elektrisch leitfähig ist”. Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass Lignin, ein natürliches Polymer, das Holzfasern zusammenklebt und zusammen mit Metalloxiden verwendet wird, die elektrochemischen Eigenschaften von Elektroden verbessert. Allerdings, so Liang, habe es nur wenige Studien gegeben, die sich mit der Kombination von Mangandioxid und Lignin befasst hätten, um beide nützlichen Eigenschaften zu nutzen.

Um ihre Elektrode herzustellen, behandelten Liang und ihr Team gereinigtes Lignin mit einem allgemein verfügbaren Desinfektionsmittel namens Kaliumpermanganat. Dann wandten sie hohe Hitze und Druck an, um eine Oxidationsreaktion einzuleiten, die zum Abbau von Kaliumpermanganat und zur Ablagerung von Mangandioxid auf Lignin führt. Als nächstes beschichteten sie das Lignin- und Mangandioxid-Gemisch auf eine Aluminiumplatte, um die grüne Elektrode zu bilden. Schließlich bauten die Forscher den Superkondensator zusammen, indem sie einen Gelelektrolyten zwischen die Lignin-Mangandioxid-Aluminium-Elektrode und eine weitere Elektrode aus Aluminium und Aktivkohle schichteten.

Beim Testen ihrer neu entworfenen grünen Elektrode stellten sie fest, dass ihr Superkondensator sehr stabile elektrochemische Eigenschaften aufweist. Insbesondere die spezifische Kapazität oder die Fähigkeit des Geräts, eine elektrische Ladung zu speichern, änderte sich auch nach Tausenden von Lade- und Entladezyklen nur wenig. Auch für ein optimales Lignin-Mangan-Dioxid-Verhältnis war die spezifische Kapazität bis zu 900mal höher als bei anderen Superkondensatoren.

Liang stellte fest, dass die Superkondensatoren auch sehr leicht und flexibel sind. Diese Eigenschaften erweitern ihren Einsatz z.B. als strukturelle Energiespeicherelemente in Fahrzeugen: “In dieser Untersuchung ist es uns gelungen, einen Superkondensator auf Pflanzenbasis mit ausgezeichneter elektrochemischer Leistung mit einer kostengünstigen, nachhaltigen Methode herzustellen”, so Liang. “In naher Zukunft möchten wir unsere Superkondensatoren 100% umweltfreundlich machen, indem wir nur grüne, nachhaltige Inhaltsstoffe verwenden.”

Abstract aus Energy Storage
Moderne flexible Superkondensatoren leiden unter elektrochemischen und umweltbedingten Leistungsproblemen, einschließlich Einschränkungen bei den Herstellungskosten. Daher ist eine wirksame und kostengünstige Strategie zur Entwicklung von Superkondensatoren erforderlich. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine pflanzenbasierte, leistungsstarke, leichte, kostengünstige Quasi-Festkörper- und Verbundelektrode für flexible Superkondensatoren mit Hilfe der hydrothermalen Methode synthetisiert. Die Verbundelektrode besteht aus Alkalilignin und ist mit MnO2-Partikeln einschließlich eines Al-Substrats dekoriert. Eine Anode auf der Basis von Al/Lig/MnO2 und eine Kathode auf der Basis von Al/AC (Aktivkohle) wurden unter Verwendung eines gelartigen anorganischen Polymerelektrolyten aus PVA/H3PO4 sandwichartig angeordnet, um den Superkondensator zusammenzusetzen. Synchrotron-Tomographie und REM werden eingesetzt, um die detaillierte Elektrodenmorphologie zu untersuchen. Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), zyklische Ladungsentladung (CCD) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden zur Beurteilung der elektrochemischen Leistung verwendet. Die Optimierung wird mit einer Reihe von Lignin:MnO2-Proben mit unterschiedlichen Konstituentenverhältnissen durchgeführt. Nach 3000 Ladungs-Entladungs-Zyklen erreichte der höchste spezifische Kapazitätswert, der bei 40 mA/g erreicht wurde, 379 mF/cm2, (900 Mal berichtet). Die Kapazitätsretention, die maximale Energiedichte und die maximale Leistungsdichte betragen 80%, 6 Wh/kg und 355 W/kg. Aufgrund der überlegenen elektrochemischen Leistung zeigt der Superkondensator ein außergewöhnliches Potenzial für zukünftige nachhaltige und grüne Elektronik.

Quellen:

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https://www.pressetext.com/news/bio-superkondensator-laedt-e-autos-in-minuten.html

https://today.tamu.edu/2020/09/07/lightweight-green-supercapacitors-could-quickly-charge-devices/

Swarn Jha, Siddhi Mehta, Yan Chen, Raj Likhari, Weston Stewart, Dilworth Parkinson, Hong Liang: Design and synthesis of high performance flexible and green supercapacitors made of manganese?dioxide?decorated alkali lignin, in: Energy Storage, https://doi.org/10.1002/est2.184