🏥 👨🏼‍🎨 🔵 Was verursacht die Unterschiede zwischen Batterien und Superkondensatoren? 😚 ✅ 🧑🏽‍🤝‍🧑🏽

Elektrochemische Energiequellen werden heutzutage überall verwendet und weisen charakteristische Merkmale auf: Kapazität oder Menge der gespeicherten Energie sowie Energie oder die Fähigkeit, diese Energie schnell zu übertragen oder zu akkumulieren (Entladung / Ladung bei hohen Strömen). Darüber hinaus sind Sicherheit und Langlebigkeit für Batterien sehr wichtig. In diesem Beitrag werde ich Ihnen erklären, wie sich Batterien und Superkondensatoren auf chemischer Ebene unterscheiden und wie sich dies auf ihre technischen Eigenschaften auswirkt.

Ich werde mit den Batterien beginnen. Heutzutage werden am häufigsten Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) verwendet, aber Lithium-Ionen-Batterien ersetzen NiMH aus mehreren Gründen allmählich. Erstens sind Lithium-Ionen-Batterien energieintensiver. Dies liegt an der Tatsache, dass die Elektrolyte von Batterien auf Lithium-Ionen-Carbonat-Basis im Vergleich zu alkalischen Elektrolyten NiMH, die die Zellenspannung auf 1,2 V begrenzen, eine Spannung von 3 V liefern. Dies bedeutet, dass weniger Zellen benötigt werden, um eine bestimmte Spannung zu erreichen, sowie kompaktere Größen, was für moderne tragbare elektronische Geräte einfach erforderlich ist. Und vor allem enthalten Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu NiMH, das Legierungen mit Seltenerdmetallen verwendet, billigere Materialien.

Der Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien ist wie folgt: Lithium-Ionen werden während des Ladens und Entladens in das Schichtmaterial der Anode (meistens Graphit) oder Kathode (Übergangsmetalloxide) eingebettet. Die Kapazität wird dadurch bestimmt, wie viel Lithium in die Elektroden eingebaut ist, und wenn die Kapazität, wie oben erwähnt, gut ist, dann mit Strom (dies ist die Fähigkeit der Batterie, sich bei hohen Strömen schnell zu laden und zu entladen, beispielsweise während des Beschleunigens und des regenerativen Bremsens in Elektrofahrzeugen). es ist nicht so einfach. Wenn sich Lithiumionen beispielsweise zu schnell aufladen, haben sie keine Zeit, sich in Kristalle zu integrieren und Ketten aus metallischem Lithium (Dendriten) an der Anode zu bilden, was insbesondere bei niedriger Temperatur zu einem Kurzschluss führen kann. Eine zu schnelle Entladung kann den Kathodenkristall zerstören und zu einer vorzeitigen Alterung der Batterie führen.

Was bestimmt die Batterieleistung? Die Batterieleistung hängt von mehreren Parametern ab: der Leitfähigkeit der Elektrode, bestehend aus dem aktiven Material und den Additiven, der Geschwindigkeit der in den aktiven Materialien ablaufenden elektrochemischen Prozesse sowie der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten. Um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien irgendwie zu verbessern, stellen Hersteller spezielle, dünnere Elektroden her, wenn sie bei hohen Strömen verwendet werden sollen: Sie enthalten weniger aktives Material, aber mehr Kohlenstoffadditive. Infolgedessen nimmt die Leitfähigkeit der Elektrode zu, aber leider nimmt durch Verringern der Menge an aktivem Material auch die Kapazität ab. Selbst wenn eine solche Technologie die Leitfähigkeit der Elektroden verbessert, sollten andere Parameter, die die Leistung beeinflussen, nicht vergessen werden, insbesondere der langsame Einbau von Lithium in Kristalle (Diffusionsschwierigkeiten).was diese Technologie in keiner Weise beeinflusst.

Hier helfen uns jedoch Nanomaterialien: Um sich in den Nanokristall zu integrieren, muss Lithium keine großen Entfernungen zurücklegen, sodass die Interkalation viel schneller erfolgt.

Leider haben Nanomaterialien auch Nachteile, insbesondere ihre erhöhte chemische Reaktivität, die die Batterielebensdauer verkürzt. Wenn Sie versuchen, einen der Batterieparameter zu verbessern, werden alle anderen im Allgemeinen oft schlechter.

Wenn die Batterie jedoch immer noch mit sehr hohen Strömen arbeiten muss, bei denen weder die Herstellungsmethode der Elektroden noch die Strukturierung der aktiven Materialien hilfreich sind, hilft der Superkondensator. Der Superkondensator ähnelt auf den ersten Blick einer Batterie: Er hat auch zwei Elektroden in einem Elektrolyten. Dies ist aber nur auf den ersten Blick. Tatsächlich speichert der Superkondensator Energie in Form einer Ionenschicht, die sich an der Oberfläche der Elektroden anlagert (doppelte elektrische Schicht). Die Kapazität solcher Vorrichtungen hängt direkt von der Oberfläche der Elektrode ab, und Aktivkohle wird häufig als aktives Material verwendet. Da es im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien keine Redoxreaktionen in Superkondensatoren gibt und Ionen nirgendwo eingebettet werden sollten, ist das Laden und Entladen viel schneller.und die Geräte selbst sind langlebiger.

Aber warum können Superkondensatoren mit solch einer bemerkenswerten Leistung nicht als unabhängige Stromquellen anstelle von Batterien verwendet werden? Tatsache ist jedoch, dass der Prozess der Bildung einer doppelten elektrischen Schicht viel weniger energieintensiv ist als Redoxreaktionen. Trotz der Tatsache, dass Superkondensatoren sich schnell ansammeln und Energie abgeben, ist ihre Menge im Vergleich zu Batterien sehr gering. Darüber hinaus unterliegen Superkondensatoren einer starken Selbstentladung: Wenn ein geladener Akku in einem Monat mehrere Prozent seiner Kapazität verliert, kann sich der Superkondensator während dieser Zeit vollständig entladen. Superkondensatoren werden daher üblicherweise in Verbindung mit energieverbrauchenden Batterien eingesetzt und übernehmen ausschließlich bei Spitzenlasten die Rolle einer Stromquelle.

Selbstentladung ist ein allmählicher Spannungsabfall in einer elektrochemischen Stromquelle, wenn diese vom Netzwerk getrennt ist. In Lithium-Ionen-Batterien ist dies mit der allmählichen Oxidation des Elektrolyten an der Kathode verbunden, wodurch Elektronen freigesetzt werden, die von den Kathodenmaterialien verwendet werden, um Lithium in ihre Struktur einzubauen (ein Prozess, der während der Entladung auftritt). Da der Elektrolyt langsam oxidiert wird, ist auch die Selbstentladung langsam. Der genaue Mechanismus der Selbstentladung von Superkondensatoren ist noch nicht bekannt, er ist jedoch mit Elektrolytionen verbunden, die auf der Oberfläche der Elektroden Redoxreaktionen eingehen.

Am Ende ist anzumerken, dass es auch „pseudokapazitive“ Superkondensatoren gibt, die auch als elektrochemische Superkondensatoren bezeichnet werden, bei denen energieintensivere Redoxprozesse auf der Oberfläche von aktiven Materialien stattfinden, die Kapazität solcher Geräte jedoch immer noch geringer ist als die von Batterien, und unter denen sie auch leiden starke Selbstentladung.

Quellen:

Lindens Handbuch der Batterien, 4. Auflage
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 3, No. 24, Nr. 2, 2009
J. Electrochem Soc. 145, Nr. 10, 1998
BE Conway, Elektrochemische Superkondensatoren: Wissenschaftliche Grundlagen und technologische Anwendungen, 1999

Was verursacht die Unterschiede zwischen Batterien und Superkondensatoren?

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