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Leistungsfähige Graphen-Verbindung für Superkondensatoren
14.01.2021

Leistungsfähige Graphen-Verbindung für Superkondensatoren

Energiespeicherung verbindet man normalerweise mit Batterien und Akkumulatoren, welche die Energie für elektronische Geräte bereitstellen. Doch mittlerweile kommen in Laptops, Kameras, Fahrzeugen oder Handys auch immer mehr sogenannte Superkondensatoren zum Einsatz.

Diese sind in der Lage, sehr schnell große Energiemengen zu speichern und ebenso schnell wieder abzugeben. Wenn z.B. ein Zug bei der Einfahrt in den Bahnhof abbremst, dann speichern Superkondensatoren die Leistung und stellen sie wieder zur Verfügung, wenn der Zug beim Anfahren sehr schnell viel Energie benötigt.

Bisher war jedoch die geringe Energiedichte das Manko von Superkondensatoren. Während Lithium-Ionen-Akkus eine Energiedichte von bis zu 265 Wh/kg erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren nur ein Zehntel davon.

Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern um den Chemiker Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TU München, einen innovativen, leistungsfähigen und gleichzeitig nachhaltigen Graphen-Hybridwerkstoff für Superkondensatoren entwickelt. Das Material dient als positive Elektrode im Energiespeicher und wird mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode kombiniert.

Der neue Energiespeicher erreicht damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was ungefähr der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht, sondern leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg auch einiges mehr als die meisten Superkondensatoren. Dies wird durch die Kombination verschiedener Werkstoffe erreicht – Chemiker bezeichnen den Superkondensator daher als „asymmetrisch“.

Die Forscher setzen dabei auf sogenannte Hybridmaterialien. „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 Fischer. Diese Idee der Kombination von Basismaterialien übertrugen die Forscher auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Basis der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch verändertes Graphen und kombinierten dieses 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 Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler an der TU München.

Für gute Superkondensatoren ist eine große Oberfläche wichtig, so dass sich dort eine große Menge von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln kann. Durch geschicktes Materialdesign konnte dabei die Graphensäure chemisch mit den MOFs verknüpft werden. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 m2/g, und sind als positve Elektrode in einem Superkondensator besonders leistungsfähig.

Ein weiterer Vorteil dieses neuen Materials ist die starke Bindung. Die Graphen-Säure wurde mit einem MOF-Amin verknüpft, so dass eine Art Peptid-Bindung entstanden ist. Je stabiler eine Verknüpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne dabei besonders an Leistung einzubüßen. Ein klassischer Lithium-Ionen-Akku hat eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, die neue Zelle des Forscherteams behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90% ihrer Kapazität.

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Quelle: elektronikpraxis.vogel.de, 07.01.2021, Kristin Rinortner
Bild: Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ