Vor einiger Zeit gab es einige Neuigkeiten über Superkondensatoren auf Graphenbasis im Mikromaßstab, und diese Geräte können hundert- bis tausendmal schneller laden und entladen als Standardbatterien.
Frage: Welche Eigenschaften von Graphen ermöglichen es, hundertmal schneller zu laden und zu entladen als herkömmliche Batterien? Liegt es daran, dass Graphen eine größere Oberfläche bietet?
Darüber hinaus hieß es in den Nachrichten, dass sie problemlos in elektrische Geräte integriert werden können. Es klingt zu gut, um wahr zu sein, und ich würde gerne wissen, ob es Nachteile/Einschränkungen dieser Technologie gibt. (Vielleicht sind sie teuer, aber Entwickler haben kürzlich eine billigere Methode gefunden, um sie mit DVD-Brennern herzustellen.)
Ihre Frage besteht eigentlich aus zwei Teilen:
Was ist der Unterschied zwischen einem Superkondensator und einer Batterie?
Warum macht Graphen so gute Superkondensatoren?
Eine Batterie und ein Superkondensator arbeiten auf sehr unterschiedliche Weise. Eine Batterie erzeugt Strom durch eine chemische Reaktion. Während die Reaktion fortschreitet, wird ein Strom erzeugt, und sobald alle Reagenzien aufgebraucht sind, stoppt die Reaktion und die Batterie ist erschöpft. Der Strom, den eine Batterie erzeugen kann, hängt von der Reaktionsgeschwindigkeit und dem Innenwiderstand der Batterie ab und ist im Allgemeinen begrenzt. Es ist jedoch einfach, viel Energie als chemische Energie zu speichern, sodass Batterien viel Strom produzieren können, bevor sie leer sind.
Im Gegensatz dazu speichert ein Kondensator Elektronen direkt. Die Art von Kondensator in dem Computer, den ich verwende, um dies einzugeben, ist im Grunde ein Parallelplattenkondensator . Kondensatoren wie dieser haben praktisch keinen Innenwiderstand, sodass die Ladung mit sehr hohen Geschwindigkeiten (dh hohen Strömen) abfließen kann, aber jeder Kondensator kann nur eine kleine Ladungsmenge speichern, sodass sie viel weniger Energie speichern als eine Batterie.
Ein Superkondensator speichert Elektronen direkt wie ein Parallelplattenkondensator, verwendet jedoch einen anderen Mechanismus, der viel mehr Energie speichern kann. Supraleiter auf Kohlenstoffbasis verwenden eine poröse Kohlenstoffmatrix mit einem flüssigen Elektrolyten und speichern die Elektronen in einer elektrischen Doppelschicht an der Kohlenstoffoberfläche. Die Energiemenge, die diese Art von Superkondensatoren speichern kann, ist vergleichbar mit einer Batterie, sodass sie eine hohe Energiedichte mit einem sehr niedrigen Innenwiderstand kombinieren.
Ich bin mir nicht sicher, wie genau Graphen bestehende Superkondensatoren verbessert. Ich nehme an, die Details werden geheim gehalten, bis alle Patente erworben wurden! Aus den Artikeln, die ich im Internet gesehen habe, würde ich vermuten, dass es eine Kombination der sehr großen Oberfläche ist, die mit Graphen-Elektroden erreicht werden kann. Offensichtlich ist die Energie, die in der Doppelschicht gespeichert werden kann, umso größer, je größer die Kohlenstoff/Elektrolyt-Kontaktfläche ist. Darüber hinaus ist Graphen ein weitaus besserer Leiter als der amorphe Kohlenstoff, der in bestehenden Superkondensatoren verwendet wird.
Später:
Falls noch jemand interessiert ist, es gibt gerade einen Artikel über Arxiv, in dem Graphen-Superkondensatoren beschrieben werden. Siehe Superkondensatoren auf Graphenbasis mit verbesserter spezifischer Kapazität und schneller Ladezeit bei hoher Stromdichte und die Zusammenfassung im Arxiv-Blog .