Superkondensatoren Schnelle Energiespeicher aus Graphen

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Leistungsstarke Batterien sind ein Schlüssel für unsere hochtechnisierte Zukunft. Schweizer Empa-Forscher haben jetzt so genannte Superkondensatoren durch den Werkstoff Graphen optimiert.

Superkondensatoren oder Supercaps (engl. „Supercapacitors“) sind die flinken kleinen Geschwister von Batterien. Beide Technologien speichern elektrische Energie. Batterien haben eine große Energie-, aber eine geringe Leistungsdichte. Hierdurch können sie viel Energie speichern, aber das Laden und Entladen ist eher langsam. Supercaps sind ziemlich genau das Gegenteil: Sie nehmen Energie blitzschnell auf und geben sie wieder ab, speichern können sie aber nur wenig davon.

Die beiden Technologien sind häufig als Team im Einsatz: Bei einem Elektroauto fangen Superkondensatoren die Bremsenergie schnell auf und geben sie später an die langsameren Batterien zur Speicherung weiter. Auch in Solarfarmen und Windkraftanlagen sowie in Industriemaschinen, die zuweilen schnell viel Strom brauchen, finden sich Superkondensatoren.

Azad, Postdoktorand im Empa-Labor „Functional Polymers“, und sein Team haben sich zum Ziel gesetzt, diese allgegenwärtigen „Schnellspeicher“ zu verbessern, indem sie neuartige Elektroden aus Graphen entwickeln. Dank dieser zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs sollen die Superkondensatoren wesentlich höhere Energiedichten erreichen.

Vom Labor in den industriellen Prozess

„Rekordverdächtige Energiedichten für Superkondensatoren wurden in der wissenschaftlichen Literatur schon mehrfach beschrieben“, räumt Azad ein. Bei seinem Forschungsvorhaben liegt das Augenmerk deshalb auch nicht auf Rekorden, sondern auf der Skalierbarkeit. Die Forschenden setzen von Beginn an auf Materialien und Prozesse, die sich nicht nur im Labor, sondern auch im industriellen Maßstab umsetzen lassen. Ihr Projekt wird deshalb im Rahmen von „Bridge“ unterstützt, ein gemeinsames Förderprogramm des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der Innosuisse.

Ähnlich wie eine Batterie besteht ein Superkondensator aus zwei Elektroden, die von einem flüssigen Elektrolyten umgeben sind. Beim Laden und Entladen transportiert der Elektrolyt die Ionen – die Ladungsträger – von einer Elektrode zur anderen. Anders als bei der Batterie finden dabei jedoch keine chemischen Reaktionen statt.

„Superkondensatoren speichern die Energie elektrostatisch, indem sie so viele geladene Teilchen wie möglich auf der Elektrode ablagern“, erklärt Jakob Heier, Leiter der Forschungsgruppe „Functional Thin Film Solution Processing“ im Labor für Funktionspolymere, zu der auch Sina Azad gehört.

Das bedeutet, je größer die Oberfläche der Elektrode, desto mehr Ionen können daran „andocken“ – und desto höher ist entsprechend die Energiedichte des Superkondensators. „Heute wird meist das hochporöse Material Aktivkohle als Elektrodenmaterial verwendet“, weiß Empa-Forscher Vahid Charkesht. Allerdings hat Aktivkohle im Gegensatz zu Graphen nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Speicherkapazität der Elektrode senkt.

Ein weiterer Nachteil entsteht bei der Verarbeitung des Materials. Die Elektroden werden in der Industrie in einem so genannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf flexible Folien aufgedruckt, geschnitten und zu fertigen Superkondensatoren zusammengerollt. Um die pulverförmige Aktivkohle auf ein Trägermaterial drucken zu können, wird sie mit Bindemitteln und weiteren Zusatzstoffen versehen, die ihre Porosität beeinträchtigen.

Von der Tinte zum fertigen Produkt

Graphen zu drucken ist allerdings auch nicht selbstverständlich. Reines Graphen für industrielle Anwendungen wird meist aus Graphit gewonnen. Herkömmliche Methoden liefern meist nur eine sehr geringe Ausbeute an reinem Graphen, das zudem noch aufwändig von Abfallprodukten getrennt werden muss. Hier haben die Empa-Forschenden aufgrund eines vorangehenden Forschungsprojekts jedoch ein Ass im Ärmel: Sie haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich hochwertiges Graphen kostengünstig und effizient aus Graphit „abschälen“ und zu einer gelförmigen druckbaren Tinte verarbeiten lässt.

Diese Graphen-Tinte bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Herstellung der Supercap-Elektroden: Durch eine geschickte Mischung zweier unterschiedlicher Graphen-Arten können die Forschenden die Größe der Poren zwischen den Graphen-Schichten gezielt beeinflussen. „Wenn wir die Porengröße der Elektrode auf die Größe der Ionen im Elektrolyten abstimmen, steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an“, erklärt Azad. Bei Aktivkohle ist keine derartige Kontrolle möglich.

Mit der hohen Leitfähigkeit, der präzisen Porengröße, der großen Oberfläche und der Skalierbarkeit dürften die neuartigen Elektroden ein High-Tech-Produkt werden. „Am Ende des Projekts wollen wir unsere Technologie auf den Markt bringen, entweder mit Industriepartnern oder über ein eigenes Spin-off“, sagt Jakob Heier.

Bis dahin – das Projekt läuft noch bis 2028 – gibt es jedoch noch viel zu tun. Die Forschenden wollen nämlich nicht nur die Technologie für die Elektroden entwickeln, sondern diese auch gleich herstellen und in funktionierende Prototypen von Superkondensatoren einbauen. Es gilt, die richtigen Prozessschritte zu definieren, einen passenden Elektrolyten zu finden, und die fertigen Superkondensatoren dann auch genau zu charakterisieren. „Wir wollen ein echtes, zuverlässiges Produkt entwickeln“, resümiert Azad.

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