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Energiespeicher der Zukunft wechseln die Farbe

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Trennscheibe des ICE 3 in milchigem Zustand

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Trennscheibe des ICE 3 in durchsichtigem Zustand

Elektrochrome Bauteile und elektrische Energiespeicher finden derzeit immer weitere Verbreitung, die einen überwiegend in Immobilien, die anderen im stationären und mobilen Einsatz. Elektrochrome Bauteile ermöglichen elektrisch regelbare intrinsische Farbwechsel- und Sichtschutzfunktionen, wie zum Beispiel Fenster mit elektrisch einstellbarer Transparenz bzw. Abdunkelung. Wiederaufladbare Batterien und elektrochemische Kondensatoren (sog. Superkondensatoren) sind zunehmend wichtig für die Speicherung großer Ladungsmengen, z.B. für die Energieversorgung von Häusern oder rein elektrisch betriebener Fahrzeuge. Auch wenn diese Technologien auf den ersten Blick vielleicht sehr verschieden sind, haben sie mehr gemeinsam, als man zunächst denkt.

Da sie sich in Bezug auf Funktionsprinzip, Reaktionskinetik, Werkstoffeigenschaften und Konstruktionsprinzip der Bauteile sehr ähnlich sind, wird seit einigen Jahren zunehmend untersucht, ob und wie man elektrochrome Verglasungen, beispielsweise solche moderner energieeffizienter Bürogebäude (Stichwort „Intelligente Fenster“ oder „Smart Privacy Glas“) oder andere elektrochrome Bauteile (z.B. neuartige Flachbildschirme), zusätzlich als Energiespeicher nutzen kann. Genauso wird umgekehrt gefragt, ob und wo elektrische Speichermedien mit dem Zusatznutzen elektrisch induzierter Farbänderung sinnvoll sein können – beispielsweise bei der Visualisierung des Ladezustandes oder der verfügbaren Restenergie.

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 dieser „Batterie“ wird jedoch klar von dessen Fähigkeit zur reversiblen Farbänderung geleitet. 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. Leitfähige Polymere können sowohl in Richtung Elektrochromie als auch in Richtung Energiespeicherung maßgeschneidert werden. Gute kombinierte Eigenschaften zeigen verschiedene Polyaniline und Polypyrole. 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.

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