Fortschritte bei der Energiedichte

Einen hocheffizienten Superkondensator hat ein Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM) entwickelt. Basis des Energiespeichers ist ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial, das vergleichbare Leistungsdaten aufweist wie aktuell verwendete Batterien und Akkus. Wie Fischer auf Nachfrage der Automobilwoche erklärte, hätten sich bereits Unternehmen aus der Autozulieferindustrie gemeldet und Interesse an der Technologie bekundet.

Anders als Batterien können Superkondensatoren sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Eingesetzt werden sie bereits bei Laptops, Kameras, Handys oder auch Fahrzeugen. Die TUM nennt ein Beispiel: Bremst beispielsweise ein Zug bei der Einfahrt in den Bahnhof ab, speichern Superkondensatoren die Leistung und stellen sie wieder bereit, wenn der Zug beim Anfahren sehr schnell sehr viel Energie braucht.

Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre geringe Energiedichte. Während Lithiumionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon. Das Graphen-Hybridmaterial dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode.

Der neue Energiespeicher erzielt damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht, sondern leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg auch deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren, heißt es in einer Mitteilung der TUM. Möglich werde dies durch die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher "asymmetrisch".

Die Forscher setzen dabei auf eine neue Strategie, um die Leistungsgrenzen gängiger Materialien zu überwinden, auf sogenannte Hybridmaterialien. "Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiel dafür, ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert", erklärt Fischer. Er und sein Team sehen sich als Visionäre, denen es auch darum geht, Alternativen bei den verwendeten Materialien aufzuzeigen.

Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien übertrug das Forschungsteam auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).

Für gute Superkondensatoren sei eine große Oberfläche wichtig, denn dort könne sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln – das ist das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie. Den Forschern gelang es, durch Materialdesign die Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, und sind als positve Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.

Die stabile Verbindung zwischen den nanostrukturierten Komponenten habe große Vorteile hinsichtlich der Langzeitstabilität der Kondensatoren: Je stabiler eine Verknüpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne wesentlich an Leistung einzubüßen. Zum Vergleich: Ein klassischer Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von rund 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90 Prozent der Kapazität, versprechen die Wissenschaftler.

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