Empa: Graphen-Superkondensatoren

Sowohl Batterien als auch Superkondensatoren speichern elektrische Energie, doch Superkondensatoren gelten als die schnelleren und leistungsfähigeren Energiespeicher. Somit sind sie in vielen Einsatzbereichen (z.B. Elektroautos, Industriemaschinen, Windräder) eine gute Alternative und Ergänzung zu langsam ladenden und entladenden Batterien. Das Empa-Team möchte nun bessere Superkondensatoren auf Basis von Graphem entwickeln und sie für die Kommerzialisierung vorbereiten.

Schnelle und leistungsfähige Superkondensatoren von Empa

Superkondensatoren oder Supercaps (Englisch: Supercapacitors) nehmen Energie schnell auf und geben sie wieder ab, speichern können sie aber nur wenig davon. Superkondensatoren und Batterien nutzt man meist gleichzeitig, z.B. nehmen Superkondensatoren in E-Autos die Bremsenergie schnell auf und transferieren diese später zur Speicherung an die Batterien. Ähnlich funktioniert das Verfahren mit Superkondensatoren in Solarfarmen und Windkraftanlagen sowie in Industriemaschinen, die schnell viel Strom brauchen. Zur Erklärung stellt Empa-Forscher Sina Azad folgenden Vergleich auf:

„Batterien sind wie ein großes Gefäß mit einem schmalen Hals, das sich nur langsam füllen lässt. Superkondensatoren sind eher kleine Tassen mit einer weiten Öffnung – sie füllen sich schnell, haben aber wenig Volumen.“

Forschungsschwerpunkt liegt auf Skalierbarkeit

Azad und sein Forscherteam möchten Superkondensatoren optimieren, indem sie neuartige Elektroden aus Graphen produzieren. Dank der zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs sollen die Superkondensatoren höhere Energiedichten erreichen. Azad erklärt zudem, dass rekordverdächtige Energiedichten für Superkondensatoren bereits in der wissenschaftlichen Literatur mehrfach beschrieben wurden. Daher liegt der Fokus der Forschungen auch nicht auf Spitzenleistungen, sondern auf der Skalierbarkeit. Folglich setzen die Forschenden unmittelbar auf Materialien und Prozesse, die sowohl im Labor als auch im industriellen Maßstab realisieren lassen. Demnach erhält das Projekt Unterstützung von „Bridge“. Hierbei handelt es sich um ein gemeinsames Förderprogramm des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der Innosuisse.

Beschaffenheit der Elektroden spielt wichtige Rolle

Wie eine Batterie hat auch ein Superkondensator zwei Elektroden, die von einem flüssigen Elektrolyten umgeben sind. Beim Laden und Entladen transferiert der Elektrolyt die Ionen oder Ladungsträger von einer Elektrode zur anderen. Im Gegensatz zur Batterie findet beim Superkondensator keine chemische Reaktion statt, denn sie speichern Energie elektrostatisch, indem sie so viele Ladeteilchen wie möglich auf der Elektrode ablagern. Folglich bedeutet dies, dass je größer die Oberfläche der Elektrode ist, desto mehr Ionen können daran „andocken“ und desto höher ist die Energiedichte.

Graphen bietet entscheidende Vorteile gegenüber Aktivkohle

Bislang ist meist das hochporöse Material Aktivkohle als Elektrodenmaterial im Einsatz. Jedoch hat dieses Material im Vergleich zu Graphen nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Speicherkapazität der Elektrode senkt. Außerdem ist die Verarbeitung des Materials problematisch. Die Elektroden werden in der Industrie mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf flexible Folien gedruckt, geschnitten und zu fertigen Superkondensatoren zusammengerollt. Um die pulverförmige Aktivkohle auf ein Trägermaterial zu drucken, muss man sie mit Bindemitteln und weiteren Zusatzstoffen versehen. Dies beeinflusst hingegen die Porosität.

Obschon auch die Verarbeitung von Graphen nicht unkompliziert ist, haben Forscher eine Lösung gefunden. Das Problem bei Graphen besteht darin, dass man es für die industrielle Anwendung aus Grafit gewinnt. Bislang bieten traditionelle Methoden nur eine geringe Gewinnung an reinem Graphen. Das Forschungsprojekt entwickelt ein Verfahren, mit dem sich hochwertiges Graphen kostengünstig und effizient aus Grafit „abschälen“ und zu einer gelförmigen druckbaren Tinte verarbeiten lässt. Die Graphen-Tinte ermöglicht es, die Porengröße in Superkondensator-Elektroden präzise zu steuern. Durch die Abstimmung der Porengröße auf die Ionengröße im Elektrolyten lässt sich die Energiedichte von Superkondensatoren erheblich steigern – ein Vorteil, der bei Aktivkohle nicht gegeben ist.

Projekt 2028: Der Weg zu High-Tech-Superkondensatoren aus Graphen

Dank ihrer hohen Leitfähigkeit, präzisen Porengröße, großen Oberfläche und Skalierbarkeit sollten sich diese innovativen Elektroden zu einem High-Tech-Produkt entwickeln. Das Projekt läuft bis 2028 und konzentrieren sich auf die Entwicklung der Elektrodentechnologie, die Herstellung der Elektroden sowie die Integration dieser in funktionierende Prototypen von Superkondensator. Ziel ist es, ein zuverlässiges Produkt zu entwickeln, dafür müssen Prozessschritte definiert, passende Elektrolyte gefunden und die fertigen Superkondensatoren genau charakterisiert werden.

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