Dank Graphen: Superkondensator erreicht Dichte eines Nickel-Metallhybrid-Akkus

Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben einen Superkondensator mit einer Energiedichte entwickelt, die an die von Batterien heranreicht. Der international Supercap genannte Energiespeicher übertrifft die heute auf dem Markt befindlichen um das Dreifache. Er ist eine perfekte Ergänzung zu Lithium-Ionen-Akkus, die Autos, Busse und Bahnen mit Strom versorgen, weil er Strom blitzschnell in großen Mengen aufnehmen und bei Bedarf ebenso schnell wieder abgeben kann. Supercaps sind etwa für die Aufnahme von Bremsenergie ideal, die bei gesteigertem Bedarf der Motoren beim Anfahren oder in Steigungsstrecken wieder abgerufen wird.

Neues Graphen-Rezept für Elektroden

Die Münchner Forscher um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, und seinen ehemaligen Gastforscher Jayaramulu Kolleboyina, heute Professor am Indian Institute of Technology Jammu setzen bei der positiven Elektrode auf Graphen. Da sind sie nicht die einzigen. Skeleton, ein estländisch-deutsches Unternehmen, das die bisher besten Supercaps produziert, tut das auch. Doch die TUM-Forscher gingen einen Schritt weiter. Sie kombinierten chemisch kunstvoll verändertes Graphen mit einem so genannten Metallorganischen Gerüst (MOF nach dem Englischen metal-organic framework). Das ist ein hochporöses Material, das einen metallischen und einen organischen Bestandteil hat, also ebenso wie Graphen Kohlenstoff enthält.

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 Nickel-Metallhydrid-Akkus. Bild: J. Kolleboyina / IITJ

Zähne und Knochen als Vorbild

Es handelt sich um ein Hybrid, das mehrere Werkstoffe miteinander mit dem Ziel kombiniert, ein Material mit besonderen Eigenschaften zu erschaffen. Dabei orientierten sich die Forscher an der Natur. „Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiel dafür“, sagt Fischer „Ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert.“

900 Quadratmeter Fläche pro Gramm

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. „Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen MOFs mit dem chemisch veränderten Graphen“, so Kolleboyina. Die Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, und sind als positive Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig. Die TUM-Superkondensatoren haben 10.000 Lade- und Entladezyklen noch eine Kapazität von 90 Prozent. Lithium-Ionen-Akkus haben eine Lebensdauer von gerade mal 5000 Zyklen.