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 Nachfolgetechnologie für die alkalische Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen wurden als alternative Energietechnologie entwickelt da sie aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer geringen Emissionen und ihrer geringen Umweltauswirkungen herkömmliche Verbrennungsmotoren übertreffen. Brennstoffzellen erzeugen nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte, was sie zu einer vielversprechenden Alternative als zukünftige Energiequelle für eine Vielzahl von Anwendungen macht, wie zum Beispiel für tragbare Geräte, stationäre Geräte und das Transportwesen.

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 (Energy Harvesting) macht.