Graphen-Hybridmaterial sorgt für Energiedichten wie bei NiMH-Akkus

Ein Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM) hat einen neuen Superkondensator mit besonders hohem Wirkungsgrad entwickelt. Er soll vergleichbare Leistungsdaten aufweisen wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.

Als Energiespeicher in Elektroautos und Plug-in-Hybriden (aber auch Laptops, Kameras und Handys) werden normalerweise Akkus verwendet, und zwar mit Lithium-Ionen-Technik. Besonders in sportlichen Fahrzeugen werden aber auch sogenannte Superkondensatoren (oder Supercaps) eingebaut.

Anders als Batterien können sie sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Bremst beispielsweise ein Rennwagen vor der Kurve ab, speichern Superkondensatoren die freiwerdende Energie besonders effektiv. Danach stellen sie die Energie auch bereitwillig wieder ab, wenn der Wagen am Kurvenausgang wieder beschleunigt.

Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre geringe Energiedichte. Während Lithium-Ionen-Akkus eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.

Das Team um Fischer hat nun ein neuartiges Material für solche Superkondensatoren entwickelt, das dieses Manko beheben soll. Damit kommt der Energiespeicher auf immerhin 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht. Außerdem ist die Leistungsdichte (also wohl die Leistungsabgabe und -Aufnahme) mit 16 kW/kg auch deutlich höher als bei den meisten herkömmlichen Superkondensatoren.

Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist ein neues Graphen-Hybridmaterial für die positive Elektrode. Als negative Elektrode wird eine bewährtes Material auf Basis von Titan und Kohlenstoff verwendet (siehe Bild oben). Das neue Material basiert auf Graphen, also einer Verbindung, die lediglich aus zweidimensional vernetzten Kohlenstoffatomen besteht. Graphen ist damit chemischer ein enger Verwandter des Graphits, bei dem diese Kohlenstoffschichten noch zusätzlich übereinander gestapelt sind.

Die TU-Forscher modifizierten das Graphen chemisch durch Oxidation zur Graphensäure und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).

Neuer Superkondensator der TU München mit einem Graphen-Hybrid aus metallorganischen Netzwerken (MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode. Die schwarze Farbe zeigt eine hohe Elektronenmobilität an.
Graphen-Hybridmaterial: Die schwarze Farbe zeigt die hohe Elektronenmobilität an, also eine hohe Leitfähigkeit.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Graphen-Hybridmaterials kommt zustande durch die große elektrische Leitfähigkeit der Graphen-Säure und durch die große Oberfläche des MOF mit seinem vielen winzigen Poren. In den Poren kann sich eine große Anzahl von Ladungsträgern ansammeln – prima, wenn man elektrische Energie speichern will. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm.

Dazu das sind nicht der einzigen Vorteile des neuen Materials, es ist zusätzlich auch besonders langlebig. Will man ein chemisch stabiles Hybrid haben, braucht man starke Bindungen zwischen den Komponenten. Dabei setzt Fischer in diesem Fall auf Bindungen, die denen zwischen Aminosäuren in Proteinen ähneln – es entsteht eine Art Peptid-Bindung.

So verspricht sich der Chemiker 10.000 Lade- und Entladezyklen von dem neuen Superkondensator, ohne dass dieser mehr als 10 Prozent der Kapazität einbüßt. Zum Vergleich: Ein klassischer Lithiumionen-Akku hat nur eine Lebensdauer von ca. 5.000 Zyklen. ist also nur halb so gut haltbar.

Bildergalerie: Neuer Superkondensator der TU München