Das Besondere an dieser Entdeckung ist, dass sie reines Wasser als Elektrolyt nutzt. Herkömmliche Batterien und Superkondensatoren basieren meist auf zugesetzten Salzen, Säuren oder anderen chemischen Elektrolyten. Im Gegensatz dazu basiert das neue System ausschließlich auf häufig vorkommenden Materialien: Wasser, Ton und Kohlenstoff.
Wasser im Nanobereich
Das neue Gerät gehört zu einer Klasse von Energiespeichern, die als Superkondensatoren bekannt sind. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch chemische Reaktionen speichern, speichern Superkondensatoren Energie durch die Trennung elektrischer Ladungen. Dadurch lassen sie sich sehr schnell auf- und entladen und haben oft eine lange Lebensdauer.
Die Forscher nennen ihr System den „Blue Capacitor“. Das Herzstück der Technik sind Kanäle mit einer Breite von etwa 1 nm. In diesen Räumen zeigt Wasser Eigenschaften, die in gewöhnlichem Wasser nicht zu finden sind, und kann dadurch Ladung effizient bewegen. Um diesen Effekt zu nutzen, kombinierten die Forscher Tonmineralien mit Graphen, einer hochleitfähigen Form von Kohlenstoff. Zusammen bilden die Schichten Millionen winziger Kanäle, die sich mit Wasser füllen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass in Nanostrukturen eingeschlossenes Wasser als aktiver Elektrolyt in einem praktischen Energiespeichergerät dienen kann“, sagt Artemov.
Kondensator ist stabil und langlebig
In Labortests zeigte der Blue Capacitor über mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen eine stabile Leistung. Das System arbeitete zudem bei Spannungen von bis zu 1,6 V, was für ein wasserbasiertes Energiespeichersystem ein vergleichsweise hoher Wert ist. Die Forscher sehen darin einen Beweis dafür, dass die einzigartigen Eigenschaften von Wasser auf der Nanoskala für praktische Anwendungen genutzt werden können. Die Experimente wurden in den Einrichtungen von Petra III am Desy durchgeführt, einem der weltweit führenden Zentren für Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. „Desy's brillante Röntgenquelle Petra III ermöglichte es uns, die ultradünnen Lagen aus einzelnen Wasserschichten in den Tonstrukturen sichtbar zumachen“, ergänzt Prof. Patrick Huber, Co-Autor der Studie.
Die Technik befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und es sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, bevor kommerzielle Anwendungen möglich werden. Die Forscher glauben jedoch, dass das Konzept einen praktischen Weg zu Energiespeichern bieten könnte. Mögliche Anwendungen umfassen die Speicherung erneuerbarer Energie aus Solar- und Windkraft, die Unterstützung von Stromnetzen und die Stromversorgung von Geräten, die häufiges Laden und Entladen erfordern. Über die Energiespeicherung hinaus könnten die Ergebnisse neue Anwendungen inspirieren, die die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser im Nanobereich nutzen, darunter Sensoren, bio-inspirierte Systeme und neuromorphes Rechnen. „Unsere Arbeit zeigt, dass selbst eine vertraute Substanz wie Wasser unerwartete Eigenschaften offenbaren kann, wenn man sie im Nanobereich betrachtet“, sagt Artemov.