Am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien entwickeln Forscher neuartige Doppelschichtkondensatoren als Alternativtechnologie zu herkömmlichen Batterien. Darin lässt sich der Strom in Sekundenschnelle speichern und nahezu verlustfrei und beliebig oft wieder abrufen.
Moderne Energiespeicher müssen in der Herstellung günstig sein, viel Energie auf kleinstem Raum speichern und sich schnell und häufig ohne Verschleiß beladen und entladen lassen. „Doppelschichtkondensatoren bieten viele dieser Vorteile“, erklärt Volker Presser, Leiter der Nachwuchsforschungsgruppe Energie-Materialien am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken. Die Forscher haben sich daher hohe Ziele mit dieser Technologie gesetzt, vom BMBF im Rahmen der Leuchtturmprojekte der Speicherinitiative mit rund 3 Mio. Euro für fünf Jahre gefördert.
Doppelschichtkondensatoren finden sich heute schon in Stadtbussen in Shanghai, in Notstromaggregaten des Airbus A380 oder in Akkuschraubern – eben dort, wo hohe Verlässlichkeit gefordert ist und schnell viel Energie gespeichert oder abgerufen wird.
Diese Möglichkeiten basieren auf dem elektrochemischen Speicherprinzip: Ionen in einem flüssigen Elektrolyten werden an je eine positiv und eine negativ geladene Elektrode angelagert, die über eine nicht-leitende Wand, den porösen Separator, getrennt sind. Diese elektrochemische Doppelschicht ist in sich ladungsneutral und kann die darin gespeicherte Energie in Sekunden wieder freigeben – wofür Stromabnehmer an den Elektroden installiert sind. Je mehr Ladungen sich anhäufen und je höher die angelegte Spannung ist, umso mehr Energie lässt sich speichern. Deshalb ist es wichtig, Elektroden mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche herzustellen: Bestehen sie zum Beispiel aus 5 g Aktivkohle, haben sie eine innere Oberfläche in der Größe eines Fußballfeldes.
„Die heute erreichte Energiedichte können wir noch steigern, wenn wir die Struktur des Materials und die Materialzusammensetzung verändern“, sagt Mineraloge Presser. Das Forschungsprojekt „nanoEES3D“ zielt deshalb darauf ab, das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Poren von Hochleistungskohlenstoffen für den schnellen Transport von Ionen zu verbessern.
Die Porosität von Kohlenstoff lässt sich sehr genau über den Syntheseweg steuern: Von Metallkarbiden ausgehend, die als Pulver oder hauchdünne Nanofasern vorliegen, entsteht durch eine chemische Behandlung mit reaktiven Gasen hochporöser und hochreiner Kohlenstoff. Je nach Wahl von Ausgangsmaterial und Reaktionsbedingungen lassen sich verschiedene Nano-Kohlenstoffe in Pulverform herstellen. „Die Kosten für diesen Herstellungsweg sind jedoch für eine Anwendung im großen Maßstab viel zu teuer“, meint der Energieexperte. „Wir werden deshalb in unserem Projekt neue Synthesewege ausprobieren und Polymere als Ausgangsmaterial für besonders formbare Kohlenstoffe untersuchen“, sagt Presser. „Dies hat den Vorteil, dass man nicht nur Pulver, sondern auch Fasern, Dünnfilme und Kohlenstoffschäume herstellen kann.“
Auch durch die eingesetzten Elektrolyte lässt sich die Speicherkapazität erhöhen: „Würde man die in organischen Lösungsmitteln gelösten Salze durch ionische Flüssigkeiten als Elektrolyt ersetzen, könnte man die Speicherkapazität weiter erhöhen“, erklärt Presser. Allerdings sind diese Fluide für großindustrielle Anwendungen zu kostspielig. Das INM-Team will deshalb diese hochporösen Kohlenstoffe mit redoxaktiven Metalloxidnanopartikeln kombinieren. „Solche Hybridmaterialien können als Pseudokondensatoren über zehnfach höhere Energiemengen speichern als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren“, sagt Presser. os
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