Schneller laden durch unsichtbare Mini-Strömungen

Dieses bisher unbekannte Phänomen könnte die Entwicklung schnellerer Speicher voranbringen.

 Wiederaufladbare Batterien, umgangssprachlich Akkus, erreichen sehr hohe Energiedichten, indem sie Energie chemisch speichern. Die hohe Energiedichte wird allerdings mit langen Ladezeiten und einer Abhängigkeit von kostbaren Rohstoffen wie Kobalt erkauft.

Im Gegensatz zu Akkus speichern sogenannte Superkondensatoren Energie in elektrischen Doppelschichten: Zwischen zwei Elektroden wird eine Spannung angelegt. Sie liegen in einer Flüssigkeit, in der winzige geladene Teilchen, Ionen, schwimmen.“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.

Der Durchmesser von Poren in solchen Elektroden beträgt nur wenige Nanometer. Die Energiedichten sind zwar (noch) etwas geringer als in Batterien, doch dafür werden keine kostbaren Metalle benötigt. Und 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.
 

Überraschende Entdeckung

Hier setzt die Arbeit des internationalen Forschungsteams unter Leitung der TU Darmstadt an, dessen Ergebnisse nun in der renommierten Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ veröffentlicht wurden. Mithilfe aufwändiger Computersimulationen untersuchte das Team um Dr. Aaron Ratschow und Alexander Wagner vom Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik (Fachbereich Maschinenbau) 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 h. 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.

Konvektion macht sich zum Beispiel beim Kochen bemerkbar, wo heiße Luft über einem Topf aufsteigt und dabei Wasserdampf mit der Strömung nach oben trägt. Vergleichbares geschieht während der Aufladung winziger Poren. 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.
 

Wichtiger Ansatz für schnellere Aufladung
 

Zusätzlich zu den teils sehr zeitaufwändigen Computersimulationen präsentieren die Forscher auch ein mathematisches Modell, das die Strömung und den Ionentransport durch Konvektion sehr genau vorhersagt – ganz ohne langwierige Simulationen. Das Modell gibt Aufschluss über die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen und erweitert das Verständnis von Ladungstransport in Poren.

Doch das ist erst der Anfang. 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.

Veröffentlichung:

Ratschow, Aaron et al.: "Convection Can Enhance the Capacitive Charging of Porous Electrodes", in: „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“, (Issue: Vol. 122, Iss.50), DOI:  doi.org/10.1073/pnas.2504322122