Sogenannte Superkondensatoren werden in der Regel verwendet, um hohe Spannungsspitzen aufzufangen. Problem war bislang, dass sie nur für kurze Energieauf- und -abgabe geeignet waren. Forscher der TU München verwenden jetzt Hybridmaterial, das länger anhaltende Leistung bereitstellt.

Ein Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität hat das neue Material entwickelt, das aktuell verwendeten Batterien und Akkus Paroli bieten könnte. Anders als Batterien können Supercaps sehr schnell grosse Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Das wird mittlerweile für Regalbediengeräte genutzt, um die Grundlast und damit die Anschlusskosten ans Stromnetz auf einem vertretbaren Niveau zu halten. Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre relativ geringe Energiedichte. Während Lithiumionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.

Das Team um Fischer hat jetzt Graphen-Hybridmaterial entwickelt, das wesentlich verbesserte Eigenschaften als positive Elektrode im Energiespeicher aufweist. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode.
Damit sei eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg möglich, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspräche. Das Geheimnis ist die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen das Konzept daher «asymmetrisch».
Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien übertrug das Forschungsteam auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).
Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride seien einerseits ihre grosse spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrössen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. «Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure», erklärt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.
Eine grosse Oberfläche ist wichtig, denn dort kann sich eine entsprechend grosse Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln – das ist das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie.

Abbildungen: TU München
Den Forschern gelang es, durch geschicktes Materialdesign die Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr grosse innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, und sind als positve Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.
Noch ein Vorteil: Ein klassischer Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher, heisst es, behalte auch nach 10.000 Zyklen fast 90 Prozent ihrer Kapazität.
«Unser Team hat sich auch mit Experten der Elektrochemie und Batterieforschung in Barcelona und mit Graphen-Derivat-Fachleuten aus der Tschechischen Republik vernetzt», sagt Fischer. «Darüber hinaus sind noch Partner aus USA und Australien eingebunden. Diese grossartige internationale Zusammenarbeit lässt noch einiges erwarten.»

www.department.ch.tum.de