Technologie

Superkondensator aus Graphen-Verbindungen

04.01.2021 - Schnell aufladbarer Stromspeicher erreicht vergleichbare Energiedichte wie Batterien.

Einem Team um Roland Fischer von der Technischen Universität München TUM ist es gelungen, einen hocheffizienten Super­kondensator zu entwickeln. Basis des Energie­speichers ist ein neuartiges, leistungs­fähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybrid­material, das vergleichbare Leistungs­daten aufweist wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.

In Laptops, Kameras, Handys oder Fahrzeugen werden neben Batterien mittlerweile öfters Super­kondensatoren eingebaut. Anders als Batterien können sie sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. 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.

Der neue Super­kondensator nutzt ein nachhaltiges Graphen-Hybrid­material als positive Elektrode. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode. Der 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. Das Geheimnis des neuen Super­kondensators ist 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 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“, sagt Fischer. 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 metal organic framework (MOF).

Entscheidend für die Leistungs­fähigkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leit­fähigkeit. „Die hohe Leistungs­fähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikro­porösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure“, erklärt Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gast­wissenschaftler bei Roland Fischer. Für gute Super­kondensatoren ist eine große Oberfläche wichtig, dort kann sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungs­trägern innerhalb eines Materials ansammeln. Den Forschern gelang es, durch geschicktes 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.

Doch das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Materials. Will man ein chemisch stabiles Hybrid haben, braucht man starke Bindungen zwischen den Komponenten. Die Bindungen seien dieselben wie die zwischen Aminosäuren in Proteinen, so Fischer: „Tatsächlich haben wir die Graphen-Säure mit einem MOF-Amin verknüpft – dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung.“ Die stabile Verbindung zwischen den nano­strukturierten Komponenten hat 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 Lithium-­Ionen-Akku hat eine Lebensdauer von etwa 5.000 Zyklen, die neue Zelle behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast neunzig Prozent der Kapazität.

Fischer betont, wie wichtig bei der Entwicklung des neuen Super­kondensators die ungehinderte, von den Forschern selbst gestaltete internationale Zusammen­arbeit war. Das Team habe Jayaramulu Kolleboyina aufgebaut, ein indischer Gastwissen­schaftler, der von der Alexander von Humboldt Stiftung eingeladen wurde und der inzwischen Leiter des Chemie-Departmen am neu gegründeten Indian Institute of Technology in Jammu ist. „Unser Team hat sich auch mit Experten der Elektrochemie und Batterie­forschung in Barcelona und mit Graphen-Derivat-Fachleuten aus der Tschechischen Republik vernetzt“, sagt Fischer. „Darüber hinaus sind noch Partner aus USA und Australien eingebunden. Diese großartige inter­nationale Zusammen­arbeit lässt noch einiges erwarten.“

TUM / JOL

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