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Elektrochrome Energiespeicher

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Elektrochrome Bauteile wie zum Beispiel Fenster mit elektrisch einstellbarer Transparenz bzw. Abdunkelung sowie wiederaufladbare Batterien und elektrochemische Kondensatoren (sog. Superkondensatoren) sind sich in Bezug auf Funktionsprinzip, Reaktionskinetik, Werkstoffeigenschaften und Konstruktionsprinzip der Bauteile sehr ähnlich. Hierzu gehört, dass ihnen ein schematischer Aufbau zueigen ist, der aus Elektrode, Elektrolyt und Gegenelektrode sowie einem externen Stromkreislauf besteht. Die elektrochrome Energiespeicherung ist ein sehr junges Konzept und befindet sich überwiegend im Forschungsstadium.

Elektrochrome Bauteile sind mehrlagige Konstruktionen. Sie bestehen aus einer aktiven elektrochromen Elektrode, einer Elektrolytlage, einer Gegenelektrode, zwei flächigen transparenten Leiterbahnen jeweils außen auf den Elektroden, sowie der mechanischen Trägerstruktur aus Glas oder Kunststoff. Dieser Aufbau kann als wiederaufladbare Dünnschicht-Batterie angesehen werden, bei der sich der jeweilige Ladezustand in optischer Absorption ausdrückt. Die Wahl des Elektrodenmaterials wird jedoch klar von dessen Fähigkeit zur reversiblen Farbänderung geleitet.

Wiederaufladbare Batterien und Superkondensatoren gelten derzeit als zwei der vielversprechendsten Speichertechnologien sowohl im Bereich Elektromobilität als auch in der stationären Zwischenspeicherung elektrischer Energie aus alternativen Energiequellen. Sie unterscheiden sich allerdings derzeit noch erheblich in Bezug auf Ladezeiten und speicherbare Energiedichten pro Volumen: Batterien können sehr hohe Energiedichten erreichen, aber aktuell nur mäßige Stromdichten und damit Ladezeiten, bei Superkondensatoren verhält es sich genau anders herum. Bei den sehr weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht das Eindiffundieren von Li-Ionen in das Elektrodenmaterial die zur Stromgewinnung notwendigen chemischen Reduktions- und Oxidationsreaktionen. Die zugehörigen Diffusionsprozesse sind sehr langsam, resultieren jedoch in einer sehr hohen Ladungsdichte.

Superkondensatoren nutzen derzeit zwei unterschiedliche Speicherprinzipien für elektrische Energie. Das eine Prinzip, die statische Speicherung in einer Doppelschichtkapazität, nutzt den Aufbau von Nanometer-dünnen Doppelschichten durch Ladungstrennung direkt im Bereich der Oberfläche der Elektroden. Durch Bauweisen im Nanometerbereich, z.B. unter Nutzung von Aerogel-, Nanoröhrchen- oder Graphen-Elektroden, kann die nutzbare Elektrodenoberfläche in Bezug auf das Gesamtvolumen so stark erhöht werden, dass anwendungstechnisch interessante Energiedichten resultieren. Das zweite Prinzip ist die elektrochemische Speicherung in einer so genannten Pseudokapazität. Hier lassen sich nochmals zwei Typen unterscheiden: Zum einen gibt es Materialien, die superschnelle reversible zweidimensionale Redoxreaktionen ermöglichen, zum anderen solche, die in einer sehr dünnen Oberflächenschicht dreidimensionale Interkalationsprozesse erlauben. Durch diesen ebenfalls nanotechnologischen Ansatz lassen sich künftig Energiespeicher, die große Stromdichten zusammen mit hoher Ladungsdichte bieten, realisieren. Kombiniert man die beiden Speicherprinzipien Doppelschicht- und Pseudokapazität geschickt, kann diese Eigenschaftskombination vermutlich weiter optimiert werden.

Vorstehend beschriebene Ähnlichkeiten haben in den letzten Jahren zu Überlegungen geführt, ob und wie man elektrochrome Verglasungen, beispielsweise solche moderner energieeffizienter Bürogebäude („Intelligente Fenster“, „Smart Privacy Glas“), oder andere elektrochrome Bauteile wie z.B. neuartige Flachbildschirme zusätzlich als Energiespeicher nutzen kann. Genauso wird umgekehrt untersucht, ob und wo elektrische Speichermedien mit dem Zusatznutzen elektrisch induzierter Farbänderung sinnvoll sein können – beispielsweise bei der Visualisierung des Ladezustandes oder der verfügbaren Restenergie. Um die beiden Aspekte Elektrochromie und elektrische Energiespeicherung künftig sinnvoll in einem Bauteil zu integrieren, werden derzeit drei Werkstoffgruppen als Elektrodenmaterial untersucht: Metalloxide, leitfähige Polymere, und anorganische Nichtoxide.

Bei den Metalloxiden unterscheidet man zwischen „kathodischer“ und „anodischer“ Elektrochromie. Bei ersterer führt die Einlagerung von Ionen, bei letzterer die Abgabe von Ionen zu Farbänderungen. Das bekannteste Metalloxid in Bezug auf kathodische Elektrochromie ist Wolframoxid (WO3). Kürzlich konnte gezeigt werden, dass sehr dünne Wolframoxid-Schichten auch als pseudokapazitiver Superkondensator funktionieren. Seither wird intensiv an der Entwicklung elektrochromer Energiespeicher auf Basis von WO3 gearbeitet. Ein weiteres Material, das pseudokapazitive Eigenschaften mit Elektrochromie verbindet, ist Nioboxid (Nb2O5). Hier werden in sehr dünnen Materialschichten Niob-Ionen interkaliert. Durch das Einmischen von Zinn-dotierten Indiumoxid-Nanopartikeln in Nb2O5-Gläser konnten erste brauchbare Ergebnisse erzielt werden. Ein weiteres in der Theorie vielversprechendes Material ist Titanoxid (TiO2), hier wird an den elektrochromen Eigenschaften gearbeitet.

Anodische Elektrochromie zeigen die relativ kostengünstigen Werkstoffe Nickeloxid (NiO) und Manganoxid (MnO2). Bei beiden können sowohl elektrochrome als auch superkapazitive Eigenschaften massiv verbessert werden, wenn sie in sehr dünnen Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Zusätzlich kann die Elektrochromie bei NiO durch Sauerstoffüberschuss in der Verbindung verstärkt werden. Einen Sonderfall stellt Vanadiumpentoxid (V2O5) dar, denn es kombiniert kathodische und anodische Elektrochromie. In dünnen nanostrukturierten Schichten interkaliert es außerdem äußerst schnell Li-Ionen, was es zusätzlich als ideales Elektrodenmaterial für Superkondensatoren erscheinen lässt. Erste Laborversuche verliefen sehr erfolgreich.

Leitfähige Polymere können sowohl in Richtung Elektrochromie als auch in Richtung Energiespeicherung maßgeschneidert werden. Gute kombinierte Eigenschaften zeigen verschiedene Polyaniline (PANI) und Polypyrole (PPy). Vor wenigen Jahren wurde über geordnete Arrays aus Polyanilin-Nanodrähten als Elektrodenmaterial berichtet, die im Labormaßstab erfolgreich als elektrochrome Energiespeicher in Fenstern getestet wurden. Unter den Polypyrolen hat sich das Poly-Ethylendioxypyrol (PEDOP) als erfolgversprechend gezeigt. In Kombination mit Gold und WO3 konnten kürzlich erstmals elektrochrome Energiespeicher mit nennenswerten Eigenschaften realisiert werden.

Bei den anorganischen Nichtoxiden stechen derzeit der Farbstoff Preußischblau und die Kohlenstoffmodifikation Graphen hervor. Beide Substanzen befinden sich in Bezug auf elektrochrome Energiespeicherung im frühen Forschungsstadium. Preußischblau besitzt eine Kristallstruktur, die die Einlagerung von Kationen ermöglicht. In Kombination mit einer Aluminium-Elektrode konnte durch reversible Reduktion des Preußischblau zu Preußischweiß eine elektrochrome selbstaufladende Batterie realisiert werden. Graphen zeigt bei Interkalationsprozessen, z.B. der reversiblen Einlagerung von Li-Ionen, begleitend elektrochrome Effekte. Da Graphen seit einigen Jahren mit immensem Forschungsaufwand bzgl. unterschiedlichster Fragestellungen untersucht wird, könnten sich hier in absehbarer Zeit interessante Möglichkeiten für die Kombination von Elektrochromie und elektrischer Energiespeicherung eröffnen.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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