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Energiespeicher aus Graphen-Hybridmaterial Neuer Superkondensator – mögliche Alternative zu Batterien

Autor / Redakteur: Dr. Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Kondensatoren stellen elektrische Energie schneller zur Verfügung als Batterien. Ihre Speicherfähigkeit pro Kilogramm ist jedoch vergleichsweise gering. Nun haben Forscher der Technischen Universität München einen neuartigen Superkondensator entwickelt, der in Puncto Leistungsfähigkeit vergleichbar abschneidet wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.

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Graphen-Hybride (l.) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure als positive Elektrode für Superkondensatoren
Graphen-Hybride (l.) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure als positive Elektrode für Superkondensatoren
(Bild: Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ)

München – Energiespeicherung bringt man üblicherweise mit Batterien und Akkus in Verbindung, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Doch in Laptops, Kameras, Handys oder Fahrzeugen werden neben Batterien mittlerweile auch immer mehr so genannte Superkondensatoren eingebaut.

Anders als Batterien, speichern Kondensatoren Energie statisch in Form eines elektrischen Feldes. Sie können daher 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 schnell sehr viel Energie braucht.

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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.

Bis zu drei Mal höhere Energiedichte

Nun hat ein Team um den TUM-Chemiker Roland Fischer ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren entwickelt. Es dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode zu einem neuen Superkondensator.

Der neue Energiespeicher erzielt mit bis zu 73 Wh/kg eine Energiedichte die zwei bis drei Mal so hoch ist wie die herkömmlicher Superkondensatoren. Sie entspricht etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus. Zudem leistet der neue Kondensator mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Dies gelingt dank der Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher „asymmetrisch“.

Vorteil von Hybridmaterialien

Die Forscher setzen bei ihrer Entwicklung auf so genannte Hybridmaterialien. „Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien. Knochen und Zähne sind Beispiele dafür: Ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert“, sagt Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM).

Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien übertrug das Team 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).

Große Oberfläche für mehr Speicherkapazität

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 Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Fischer. Die Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, an der sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln kann – das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie.

Will man ein chemisch stabiles Hybrid haben, braucht man starke Bindungen zwischen den Komponenten. Die TUM-Forscher haben einen Weg gefunden, die elektrisch leitende Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen.

Lang lebe der Superkondensator

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 Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90% der Kapazität.

Originalpublikation: Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, Błażej Scheibe, Štěpán Kment, Michal Otyepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zboril und Roland A. Fischer: Covalent Graphene-MOF Hybrids for High Performance Asymmetric Supercapacitors, Advanced Materials, 4.12.2020; DOI: 10.1002/adma.202004560

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München (TUM), 85748 Garching b. München

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