Panorama

Strom speichern mit Superkondensatoren

20.01.2023 - Neue Projekte für die Suche nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien.

Forschende der Universität Jena entwickeln leistungs­starke und zugleich nachhaltige Energie-Speicher­systeme. Das Team um Andrea Balducci vom Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Universität Jena startet in diesem Monat mit zwei Projekten im Rahmen des EU-Programms „Novel materials for super­capacitor energy storage“ und erhält dafür eine Förderung von insgesamt rund 950.000 Euro. Ziel sind neuartige Super­kondensatoren, die nicht nur leistungs­fähiger sind als bestehende Systeme, sondern vor allem auch nachhaltiger.

Bis zum Jahr 2050 will die EU klimaneutral sein. Dieses ehrgeizige Ziel ist nur zu erreichen, wenn in allen großen Bereichen – vom Verkehr, über die Industrie­produktion bis zur Energie­versorgung – statt auf fossile ausschließlich auf erneuerbare Energieträger gesetzt wird. Doch nicht nur die Energie­ressourcen und ihre Gewinnung sind dabei entscheidend. „Zusätzlich braucht es auch Energie­speichersysteme, die die zeitlich und räumlich schwankenden erneuerbaren Energien klima­freundlich speichern können“, macht Andrea Balducci deutlich. Heute stellen die Lithium-Ionen-Batterien den Hauptanteil an mobilen Energiespeichern. Lithium-Ionen-Akkus weisen eine hohe Energiedichte auf. Auf der anderen Seite enthalten sie neben Lithium auch Kobalt und Aluminium, deren Ressourcen begrenzt sind und deren Abbau große Umweltschäden verursacht. „Auch wenn die Lithium-Ionen-Batterie heute noch unver­zichtbar ist, mittel- und langfristig werden wir sie vollständig ersetzen müssen“, so Balducci. Sein Team sucht in den beiden neuen EU-Projekten nach Alter­nativen.

Im Zentrum der Forschungs­bestrebungen stehen dabei Super­kondensatoren. Diese Energiespeicher haben gegenüber den Batterien den Vorteil, dass sie in Sekunden­schnelle aufgeladen sind und dabei eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aufweisen. Im Projekt „Green-cap“ (Graphene, MXene and ionic liquid-based sustainable super­capacitor) plant das Konsortium bestehend aus Teams aus sieben Ländern in den kommenden drei Jahren Super­kondensatoren aus 2D-Materialien zu bauen. Diese sollen den bisherigen Nachteil gegenüber Batterien – die geringere Energiedichte – wettmachen. Dafür nutzen sie als Elektroden­material Graphen und MXene aus Titan und Kohlenstoff, die nur eine Atomlage dünn sind und damit eine extrem große Oberfläche aufweisen.

Die Jenaer Chemiker steuern hier die innovativen Elektrolyte bei. „Ge-genüber bestehenden Elektrolyten haben diese den Vorteil, dass sie dank ihrer hohen Leitfähigkeit, die Speicher­kapazität des Kondensators verbessern“, unterstreicht Andrea Balducci. Außerdem sind ionische Flüssig­keiten nachhaltig, da sie ohne kritische Rohstoffe auskommen und gut zu recyceln sind. Eine weitere Strategie, welche im zweiten Projekt „MUSIC“ (Materials for sustainable Sodium Ion Capacitors) verfolgt wird, ist es das Konzept von Lithium-Ionen-Akkus mit dem von Super­kondensatoren zu kombinieren. Gleichzeitig soll dabei das umweltbelastende Lithium durch das umwelt­verträglichere Natrium ersetzt werden.

Im Rahmen des über vier Jahre geförderten Projektes, an dem Partner aus fünf euro­päischen Ländern beteiligt sind, sollen Natrium-Ionen-Konden­satoren bis zur Marktreife entwickelt werden. „Diese vereinen die Vorteile beider bisherigen Systeme“, erläutert Balducci. „Sie werden die Energiedichte von Batterien aufweisen und die Lebensdauer und Ladezeiten von Konden­satoren.“ Und das bei einem vollständigen Verzicht auf kritische Ausgangsstoffe. Balducci und sein Jenaer Team werden sich auch hier vor allem auf die Entwicklung und Charak­terisierung von Elektrolyt­lösungen konzentrieren, auf die die Forschenden spezialisiert sind. Am Projektende soll ein Prototyp eines Natrium-Ionen-Kondensators vorliegen.

U. Jena / JOL

Weitere Infos

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung