Flexibler Superkondensator aus Graphen

  • 16. May 2014

Stromspeicher erreicht Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus und behält hohe Stabilität nach 10.000 Ladezyklen.

Schon schnell nach ihrer Entdeckung im Jahr 2004 galten die extrem dünnen Kohlenstoffschichten aus Graphen als viel versprechende Kandidaten für leistungsfähige Superkondensatoren. Seitdem entstanden zahlreiche Prototypen, die wie erwartet hohe Kapazitätswerte und eine gute Stabilität zeigten. Allein die Energiedichte blieb zu gering, um mit Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren zu können. Diese Hürde konnte nun eine Forschergruppe aus Singapur mit einer geschickten Kombination aus Graphen und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff überwinden.

Aufbau des Superkondensators auf Graphenbasis

Abb.: Aufbau des Superkondensators auf Graphenbasis. Auf einem Kunststoffsubstrat können mehrere Kondensatoren miteinander verschaltet werden. (Bild: Y. Chen, Nanyang Tech. Univ. Singapore)

„Mit höherer Leistungsdichte und längerer Lebenszeit sind Mikro-Superkondensatoren eine viel versprechende Alternative zu herkömmlichen Akkus“, sagt Yuan Chen von der Nanyang Technological University in Singapur. Zusammen mit seinen Kollegen entwickelte er eine spezielle Kohlenstofffaser, die auch bei der Energiedichte mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten kann. Dazu mischten die Forscher Flocken aus Graphenoxid mit einwandigen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Zu einer Suspension auf Wasserbasis fügten sie das Lösungsmittel Ethylendiamin hinzu.

Diese Suspension leiteten Chen und Kollegen durch eine Kapillare aus Siliziumoxid und heizten das Materialgemisch in dieser für sechs Stunden auf 220 Grad Celsius auf. Dabei ordneten sich die Kohlenstoffpartikel selbstständig zu einer hierarchischen Struktur an. Es entstand eine etwa 50 Mikrometer dicke Faser, die getrocknet eine sehr hohe Kapazität von 305 Farad pro Kubikzentimeter aufwies. Ergänzt mit einem Elektrolyten aus Polyvinylalkohol und Phosphorsäure ließen sich winzige Superkondensatoren fertigen.

Prototyp eines Superkondensators aus flexiblen Kohlenstofffasern

Abb.: Prototyp eines Superkondensators aus flexiblen Kohlenstofffasern, die selbst hundertfach verbogen ihre Eigenschaften behalten. (Bild: Y. Chen, Nanyang Tech. Univ. Singapore)

Wie Testmessungen belegten, konnten diese Superkondensatoren wegen ihrer großen aktiven Oberfläche von bis zu 400 Quadratmeter pro Gramm elektrischen Strom effizient speichern. Mit knapp 6,3 Milliwattstunden pro Kubikzentimeter erreichten erste Prototypen ähnliche Energiedichten wie herkömmliche Dünnschicht-Lithium-Ionen-Akkus. „Das ist ein wichtiger Fortschritt, um die Energielücke zwischen Superkondensator und Mikrobatterien schließen zu können“, sagt Yuan Chen. Zusätzlich zeigten diese Stromspeicher, wie für Superkondensatoren üblich, eine extrem hohe Leistungsdichte von über einem Watt pro Kubikzentimeter und erreichten damit zwei Größenordnungen mehr als bei Lithium-Ionen-Akkus. Energie- und Leistungsdichte blieben auch nach 10.000 Ladezyklen erhalten. Selbst tausendfaches Verbiegen der flexiblen und dennoch stabilen Fasern hatte kaum Einfluss auf die herausragenden Eigenschaften.

Eine einzelne Superkondensator-Faser kann jedoch nur sehr kleine Strommengen zur Verfügung stellen. So verknüpften die Forscher mehrere Kondensatorfasern sowohl in Serien- als auch in Reihenschaltung und versorgten mit diesen Prototypen testweise einzelne Leuchtdioden mit Strom. Auch den Weg zur Massenprodukten dieser Kondensatorfasern halten sie für möglich und demonstrierten mit einer längeren Kapillare die Produktion einer 50 Meter langen Faser innerhalb von 48 Stunden.

Diese Versuche belegen, dass Superkondensatoren auf Graphenbasis bald zu neuartigen Stromspeichern alternativ zu Lithium-Ionen-Akkus führen könnten. Wegen ihrer Flexibilität ließen sie sich leicht in Textilien integrieren. Verlockend ist vor allem das schnelle Aufladen binnen weniger Minuten. In weiteren Schritten müssten die Forscher nun größere Module mit dutzenden, wenn nicht hunderten Kondensatorfasern entwickeln, um die Ladekapazitäten von herkömmlichen Akkus zu erreichen.

Jan Oliver Löfken

DE

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