Im Rennen um den besten Superkondensator sind Forscher der TU München einen großen Schritt vorangekommen. Sie haben ein Graphen-Hybridmaterial entwickelt, das vergleichbare Leistungsdaten hat wie aktuelle Batterien. Ein großer Fortschritt, denn das große Manko von heutigen Superkondensatoren ist ihre geringe Energiedichte.

Die Energiedichte entspricht heutigen Nickel-Metallhydrid-Akkus

Das neuartige Graphen-Hybridmaterial, das ein Team um den Chemieprofessor Roland Fischer gemeinsam mit internationalen Experten entwickelt hat, ist leistungsfähig und dabei nachhaltig. Es dient in der Zelle als positive Elektrode, während die negative Elektrode aus einem bewährten Material aus Titan und Kohlenstoff besteht.

Mit der neuartigen Elektrode erreicht der neue Superkondensator eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, teilte die TU München mit. Das entspricht der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid-Akkus und liegt also weit über dem, was aktuelle Superkondensatoren leisten. Auch die Leistungsdichte von 16 kW/kg liegt deutlich über der von heutigen Supercaps.

Ein Hybridmaterial nach dem Vorbild der Natur

Diese hohe Leistung erreichten die Forscher durch die Kombination verschiedener Materialien: „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“, erklärt Roland Fischer.

Für die Leistungsfähigkeit des Hybridmaterials sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen wichtig. Denn an einer großen Oberfläche kann sich eine große Anzahl von Ladungsträgern ansammeln, was das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie ist. Der zweite entscheidende Faktor ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Die Forscher verbanden chemisch verändertes Graphen mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten Metal Organic Framework (MOF). „Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure“, erklärt Jayaramulu Kolleboyina, ein ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.

Durch geschicktes Materialdesign schafften es die Forscher, die Graphen-Säure chemisch mit den MOFs zu verbinden. Auf diese Weise entstanden Hybrid-MOFs mit sehr großen inneren Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm. Als positive Elektrode in einem Superkondensator seien diese extrem leistungsfähig, schreiben die Forscher.

Lange Haltbarkeit

Ein weiterer Vorteil des Materials ist seine lange Haltbarkeit, die auf der starken Bindung der einzelnen Komponenten beruht. Je stabiler, desto mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne dass die Leistung wesentlich leidet. Diese Bindungen sind dieselben wie die zwischen Aminosäuren in Proteinen. „Tatsächlich haben wir die Graphen-Säure mit einem MOF-Amin verknüpft – dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung“, erklärt Roland Fischer.

Das Team meldet für den neuen Superkondensator 10.000 Zyklen, nach denen die Kapazität noch bei fast 90 Prozent lag. Ein herkömmlicher Lithiumionen-Akku übersteht etwa 5.000 Zyklen.

Quellen / Weiterlesen

Superkondensatoren statt Batterien | TU München
Bildquelle: © Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ – TU München

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