Unterschiede zwischen Superkondensatoren und Batterien

Superkondensatoren vs Batterien: Das ist wie der Vergleich von Kurzstreckenläufern mit Marathonläufern. Beide führen dieselbe Aufgabe der Energiespeicherung aus, sind jedoch jeweils ideal für unterschiedliche Zwecke aufgrund ihrer spezifischen Vor- und Nachteile geeignet. Wie schneiden also Superkondensatoren im Vergleich mit Lithium-Ionen (Li-Ion) Batterien, der gebräuchlichsten Art von Batterien, ab?

Was ist ein Superkondensator?

Ein Superkondensator speichert Energie durch elektrostatistische und elektrochemische Mechanismen. Bei der elektrostatistischen Speicherung werden Ladungen an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche getrennt, wodurch eine elektrische Doppelschicht von Ionen entsteht. Diese Doppelschichtkapazität speichert Energie ohne chemische Reaktionen im Inneren der Zelle. Diese gespeicherte Energie kann bei Bedarf schnell freigesetzt werden. Der elektrochemische Mechanismus beinhaltet Redoxreaktionen, bei denen die Ladung durch Ionenbewegung zwischen Elektrolyt und Elektrode gespeichert wird. Superkondensatoren können, je nach Verwendung, einen oder beide Mechanismen nutzen.

Was ist eine Lithium-Ionen-Batterie?

Lithium-Ionen-Batterien sind die gebräuchlichste Art von wiederaufladbaren elektrischen Batterien. Sie speichern Elektrizität durch elektrochemische Prozesse, das heißt, dass sie Elektrizität in chemische Energie umwandeln und zurück in Elektrizität, wenn dies erforderlich ist. Aufgrund ihrer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte sind Lithium-Ionen-Batterien geeignet für tragbare Hochenergie-Dichtspeichersysteme. Sie werden in einer Vielzahl von Geräten verwendet, von Elektroautos bis hin zu Smartphones und Laptops.

Vergleich der Vor- und Nachteile von Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien:

Energiedichte: Superkondensatoren speichern im Vergleich zu herkömmlichen Batterien deutlich weniger Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit. Bei Elektrofahrzeugen wird die Energiedichte als Reichweite pro Ladung interpretiert. Daher sind Batterien besser geeignet für Anwendungen, die eine große Energiespeicherung erfordern.

Leistungsdichte: Superkondensatoren können große Mengen Energie in kurzer Zeit liefern, was sie für Anwendungen ideal macht, die schnelle Leistungsübertragung erfordern. Das schnelle Beschleunigen von Elektroautos und das Aufflammen von Kamerablitzen sind solche Anwendungen.

Selbstentladung: Batterien haben eine erheblich geringere Selbstentladerate im Vergleich zu Superkondensatoren. Deshalb sind Batterien besser geeignet für Anwendungen, die eine Langzeitspeicherung von Energie ohne häufiges Nachladen erfordern.

Lebensdauer: Bei Batterien korrodieren die Komponenten aufgrund von chemischen Reaktionen. Während Superkondensatoren über 1.000.000 Lade-/Entladezyklen bewältigen können, halten herkömmliche Batterien nur etwa 2.000 bis 3.000 Zyklen aus.

Kosten: Superkondensatoren haben aufgrund der Komponentenkosten und der Tatsache, dass ihre Leistung sehr schnell entladen wird und manchmal ineffizient ist, oft höhere Kosten pro Watt.

Nachhaltigkeit: Der Abbau von Lithium, Nickel und Kobalt, die für Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden, ist mit Umweltproblemen im Zusammenhang mit Abfall und Verschmutzung verbunden. Im Gegensatz dazu können Superkondensatoren nachhaltigere Materialien verwenden, wie aktivierte Kohlenstoffe aus Biomasse, die erneuerbarer, umweltfreundlicher und leichter zu recyceln sind.

Welche Technologie ist besser?

Die Wahl zwischen Superkondensatoren und Batterien hängt also letztlich von der Anwendung ab. Beide bieten erheblichen Wert und funktionieren manchmal am besten, wenn sie zusammen genutzt werden! Ein Bus, der mit beiden ausgestattet ist, könnte zum Beispiel Kondensatoren verwenden, um beim Beschleunigen zu helfen, während er bei konstanter Geschwindigkeit auf die Batterien zurückgreift.

Jedoch bleibt bei Batterien und Superkondensatoren noch viel zu erforschen. Es gibt viele Forschungen zur Entwicklung neuer Materialien und Chemien, um die Energiedichte, Entladekapazität, Zyklusbeständigkeit und Sicherheit sowohl von Batterien als auch von Superkondensatoren zu verbessern.

Analyselösungen für die Forschung an Superkondensatoren und Batterien

Malvern Panalytical bietet zuverlässige, genaue und vielseitige Werkzeuge für Forscher und Hersteller, um leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren zu entwickeln und dabei die Umweltbelastung zu reduzieren.

Zum Beispiel können die Röntgenfluoreszenz-Spektrometer der Zetium oder Epsilon-Reihen verwendet werden, um die elementare Zusammensetzung und Verunreinigungen von Kathoden-, Anoden- und Elektrolytmaterialien zu analysieren.

Mit den Produktreihen Mastersizer und Zetasizer Advance ist eine Partikelcharakterisierung in Bezug auf Größe und Größenverteilung möglich.

Die Empyrean und kompakte Aeris Röntgenbeugungsgeräte können zur Analyse von Superkondensator- und Batteriematerialien gegen Kristallfehlordnungen verwendet werden, die sich negativ auf die Batterieleistung auswirken.