Leistungsstärkere Stromspeicher durch neue Graphenstruktur

Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte und schnelle Ladezyklen aus, verfügen aber über eine geringe Energiedichte. Folglich speichern sie zu wenig Energie auf engem Raum, was bisher ihren Einsatz in kompakten Geräten verhinderte. Das zentrale Problem herkömmlicher kohlenstoffbasierter Elektroden ist das sogenannte „Re-Stacking“. Dabei lagern sich die Graphenschichten eng aneinander, wodurch der Ionentransport blockiert und die Nutzung der Oberfläche eingeschränkt wird. Eine Studie in Nature Communications beschreibt nun eine neue Materialarchitektur namens „Multiscale reduced Graphene Oxide“ (M-rGO). Durch gezielte thermische Behandlung entstehen stark gekrümmte Graphenstrukturen, die als effiziente Transportwege fungieren. Diese Architektur ermöglicht es, die Schichtabstände elektrochemisch zu erweitern und die Speicherkapazität zu erhöhen, ohne das Volumen des Speichers signifikant zu vergrößern.

Nano-Präzision: Wie Materialdesign die Energie- und Oberflächentechnik verändert

In der Materialforschung entscheiden oft kleinste strukturelle Details über die Effizienz ganzer Systeme. Zwei aktuelle Studien in Nature Communications verdeutlichen dies. Während Forscher in Australien die Architektur von Graphen für Hochleistungsspeicher optimieren, gewannen Teams der TU Graz und der University of Surrey grundlegend neue Erkenntnisse zur Reibung und Bewegung auf atomarer Ebene. Wissenschaftler der TU Graz und der University of Surrey untersuchten, wie sich einzelne Wassermoleküle über Graphen und hexagonales Bornitrid (h-BN) bewegen. Obwohl beide Materialien eine ähnliche Wabenstruktur aufweisen, verhält sich Wasser auf ihnen grundlegend unterschiedlich.

Mithilfe der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie beobachtete das Team in Graz, dass Wassermoleküle auf h-BN eher „laufen“ oder „rollen“ – ähnlich einem Kreisel –, anstatt wie auf Graphen zwischen festen Stellen zu springen. „Diese kontinuierliche, rotierende Bewegung war völlig unerwartet“, erklärt Anton Tamtögl von der TU Graz. Der Grund liegt in der geringeren Reibung auf dem h-BN-Substrat. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung von „Designer-Oberflächen“, die beispielsweise die Vereisung von Flugzeugflügeln verhindern oder die Effizienz von Entsalzungsmembranen steigern können.

Während Wassermoleküle auf Graphen (links) zwischen festen Positionen springen, führen sie auf hexagonalem Bornitrid (rechts) eine kontinuierliche Roll- und Gleitbewegung aus. Die gelbe Linie verdeutlicht den Pfad über die Wabenstruktur des h-BN.

Warum Superkondensatoren an ihre Grenzen stoßen

Ähnlich wie bei der Wasserbewegung ist auch bei Energiespeichern die Wechselwirkung auf der Oberfläche entscheidend. Die größte Einschränkung herkömmlicher Superkondensatoren ist ihre geringe volumetrische Energiedichte. Obwohl sie elektrische Energie extrem schnell aufnehmen und abgeben können, liegt ihre volumetrische Energiedichte oft unter 10 Wattstunden pro Liter (Wh/L). Im Vergleich dazu speichert ein klassischer Blei-Säure-Akkumulator auf gleichem Raum deutlich mehr Energie. Ein technologisches Hindernis beim Einsatz von Graphen als Elektrodenmaterial ist dabei das Re-Stacking; dabei neigen atomar dünne Kohlenstoffschichten dazu, flach aufeinanderzustapeln. Diese dichte Stapelung blockiert den Zugang für Elektrolyt-Ionen und lässt somit große Teile der theoretisch verfügbaren Oberfläche ungenutzt.

M-rGO-Architektur: Strukturdesign auf Nanometerebene

Die Forscher der Monash University in Melbourne adressieren dieses Problem durch eine Veränderung der Materialmorphologie. Anstatt flacher Graphenlagen nutzt die M-rGO-Architektur eine multiskalige Struktur. Folglich besteht das Material aus mikrometergroßen Partikeln, in deren Innerem sich stark gekrümmte, ungeordnete Graphen-Kristalle befinden. Jene Krümmung wirkt dabei wie ein Abstandshalter auf molekularer Ebene und verhindert, dass die Schichten verkleben, während sie ein Netzwerk aus offenen Kanälen erzeugt. Diese Kanäle ermöglichen es den Ionen, tief und schnell in das Innere der Elektrode vorzudringen.

Von der Partikel- zur Nanostruktur. Die Grafik verdeutlicht den Aufbau des M-rGO-Materials. Von mikrometergroßen Partikeln (links) über die poröse Netzwerkstruktur (Mitte) bis hin zu den entscheidenden, atomar dünnen und stark gekrümmten Graphen-Kristalliten (rechts). Diese spezifische Krümmung verhindert das dichte Verkleben der Schichten und schafft die Transportwege für Ionen.

Durch zweistufigen Herstellungsprozess vom Graphit zum Hochleistungsspeicher

Demnach basiert die Herstellung des Materials auf einem präzise gesteuerten thermischen Prozess. Im ersten Schritt wird Graphitoxid einer Schock-Exfoliation bei 700°C ausgesetzt, wobei der plötzliche Temperaturanstieg zu einer schlagartigen Zersetzung sauerstoffhaltiger Gruppen führt. Die dabei entstehenden Gase reißen die Kohlenstoffschichten auseinander. In einem zweiten Schritt wird die Temperatur gehalten, um die Bildung der spezifisch gekrümmten Kristallstrukturen zu fördern. Somit wandelt dieser Prozess gewöhnliches Graphit in eine hochporöse Architektur um, die stabil genug ist, um mechanischen Belastungen während der Ladezyklen standzuhalten.

Die Messdaten belegen die hohe Porosität des M-rGO-Materials. Durch die thermische Behandlung entsteht eine kontrollierte Verteilung von Mikro- und Mesoporen, die eine extrem hohe nutzbare Oberfläche für die Einlagerung von Elektrolyt-Ionen bietet.

Wie Ionen sich durch elektrochemische Schichtaufweitung Platz schaffen

Ein entscheidender technologischer Aspekt der Studie ist der Mechanismus der elektrochemischen Schichtaufweitung (Electrochemical Interlayer Expansion, e-IE). Während des Ladevorgangs dringen Ionen in die Zwischenräume der gekrümmten Graphenlagen ein. Da die Struktur flexibel und dennoch stabil ist, weiten die Ionen die Abstände zwischen den Schichten aktiv auf, um sich optimal einzulagern. „Das Einlagern von Ionen in die Zwischenschichten ermöglicht eine präzise Anpassung der Poren an die Ionen sowie einen partiellen Ladungstransfer“, so die Autoren der Studie. Letztendlich führt diese dynamische Anpassung zu einer außergewöhnlich hohen Kapazität pro Fläche. Ferner konnten die Forscher zeigen, dass die Schichten nach der Entladung wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehren, was die Langlebigkeit des Systems garantiert.

Leistungsdaten der neuen M-rGO-Struktur im Vergleich

Darüber hinaus erreichte das neue Material in Praxistests mit sogenannten Pouch-Zellen Rekordwerte. Mit ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyt wurde eine volumetrische Energiedichte von 99,5 Wh/L gemessen. Damit liegt der Speicher im Bereich von Blei-Akkus, behält aber nach wie vor die Vorteile eines Kondensators bei, wobei die Leistungsdichte bei über 69 Kilowatt pro Liter (kW/L) liegt. Das bedeutet, dass der Speicher nicht nur große Mengen Energie auf kleinem Raum vorhalten kann, sondern diese auch innerhalb von Sekunden abgibt. Zudem zeigte das Material über tausende Ladezyklen hinweg eine hohe Stabilität – und das selbst bei extrem hohen Stromstärken.

Leistungscharakteristik in der praktischen Anwendung. Die Messergebnisse der Pouch-Zellen zeigen die überlegene volumetrische Energiedichte des M-rGO-Materials. Im Vergleich zu Standard-Superkondensatoren (Aktivkohle) wird eine deutlich höhere Speicherkapazität erreicht, während die für Kondensatoren typische hohe Leistungsabgabe und Zyklenstabilität gewahrt bleibt.

Der Weg von der Forschung in die industrielle Fertigung

Schließlich bleibt die Skalierbarkeit des Verfahrens ein wichtiger Faktor für die praktische Anwendung. Da der Prozess auf natürlichem Graphit basiert und die thermische Behandlung effizient durchgeführt werden kann, ist eine Massenproduktion wirtschaftlich möglich. Das Unternehmen Ionic Industries arbeitet bereits daran, diese Graphenstrukturen für den kommerziellen Markt verfügbar zu machen.

Potenzielle Einsatzgebiete finden sich überall dort, wo kurzzeitig hohe Leistungen und kompakte Bauweisen gefragt sind. Neben der Rückgewinnung von Bremsenergie in der E-Mobilität und der Stabilisierung von Stromnetzen umfasst dies auch die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) in Rechenzentren, die Schnellladung von Flurförderfahrzeugen in der Logistik sowie die Unterstützung von Brennstoffzellensystemen zum Abfangen von Lastspitzen. In Rechenzentren (USV) ersetzen Superkondensatoren zunehmend Blei-Akkus. Bei einem Stromausfall können sie die entscheidenden Sekunden sofort überbrücken, sind wartungsärmer und benötigen weniger Platz. In der Logistik ermöglichen Superkondensatoren das „Opportunity Charging“ (Schnellladen während der Pause), was die Stillstandszeiten von z.B. Gabelstaplern massiv senkt.

Quellen / Weiterlesen