Superkondensatoren sind Akkus dicht auf den Fersen

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

Anders als Batterien können Superkondensatoren sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Bremst etwa 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 Lithium-Ionen-Akkus eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon. Das von Fischer und seinen Kollegen entwickelte Graphen-Hybridmaterial soll das ändern. Es dient als positive Elektrode in Superkondensatoren, wo es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode kombiniert wird.

Der neue Energiespeicher erzielt damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der von Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht. Er leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg auch deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren.

Hybridmaterialien sprengen Leistungsgrenzen

Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher "asymmetrisch". Sie verwendeten dabei als Grundlage chemisch verändertes Graphen − eine aus nur einer Atomlage bestehende Kohlenstoffverbindung − und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten Metal Organic Framework (MOF).

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine große Oberfläche, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. "Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure", erklärt Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.

Für gute Superkondensatoren ist eine große Oberfläche wichtig. Dort kann sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln. Das neue Anodenmaterial verfügt über sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm.

Doch das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Materials. Zudem ist es chemisch äußerst stabil. Das bringt große Vorteile hinsichtlich der Langzeitstabilität der Kondensatoren: Je stabiler eine Verknüpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne wesentlich an Leistung einzubüßen.

Zum Vergleich: Ein klassischer Lithium-Ionen-Akku hat eine Lebensdauer von etwa 5.000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90 % ihrer Kapazität.