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Superkondensator der TU München

Superkondensator der TU München
TU München entwickelt hocheffizienten Superkondensator als Energiespeicher

Graphen-Hybride (links) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren, die damit eine ähnliche Energiedichte erreichen, wie Nickeln-Metallhydrid-Akkus. Bild: TU München

Einem Team an der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, einen hocheffizienten Superkondensator zu entwickeln. Basis des Energiespeichers ist ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial, das vergleichbare Leistungsdaten aufweist wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.

Energiespeicherung bringt man üblicherweise mit Batterien und Akkus in Verbindung, die die Energie für elektronische Geräte bereitstellen. Doch in Laptops, Kameras, Handys oder Fahrzeugen werden neben Batterien mittlerweile auch häufiger sogenannte Superkondensatoren eingebaut.

Anders als Batterien können diese sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Bremst beispielsweise ein Zug bei der Einfahrt in den Bahnhof ab, speichern Superkondensatoren die Leistung und stellen sie wieder bereit, wenn der Zug beim Anfahren sehr schnell sehr viel Energie braucht.

Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre geringe Energiedichte. Während Lithiumionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wh/kg erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.

Graphen-Hybridmaterial als positive Elektrode im Energiespeicher

Das Graphen-Hybridmaterial, das von dem Team um TUM-Chemiker Roland Fischer für Superkondensatoren entwickelt wurde, dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode.

Der neue Energiespeicher erzielt damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht, sondern leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg auch mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher „asymmetrisch“.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Die Natur als Vorbild

Die Forscher setzen auf eine neue Strategie, auf sogenannte Hybridmaterialien, um die Leistungsgrenzen gängiger Materialien zu überwinden. „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“, sagt Roland Fischer.

Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien übertrug das Forschungsteam auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Energiespeichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).

Kontakt:
Technische Universität München
Arcisstr. 21
80333 München
Tel.: +49 8928928601
bibdir@ub.tum.de
www.tum.de

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