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Hocheffiziente Superkondensatoren als Energiespeicher-Alternative

Superkondensatoren
Graphen-Hybride 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. (Bilder: Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ)

Superkondensatoren weisen vergleichbare Leistungsdaten auf wie aktuell verwendete Batterien und Akkus

Einem Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM), ist es gelungen, hocheffiziente Superkondensatoren zu entwickeln. Basis der 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 immer mehr sog. Superkondensatoren eingebaut. Anders als Batterien können sie 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 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.

Nachhaltiges Material bringt Höchstleistungen

Superkondensatoren

Nun hat ein Team um den TUM-Chemiker Roland Fischer ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial (Bild) für Superkondensatoren entwickelt. Es 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 deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher „asymmetrisch“.

Hybridmaterialien: Vorbild ist die Natur

Die Forscher setzen dabei auf eine neue Strategie, um die Leistungsgrenzen gängiger Materialien zu überwinden, auf sogenannte Hybridmaterialien. „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 Speichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).

Leistungsfähig und stabil

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 der leitfähigen Graphen-Säure“, erklärt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.

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Graphen-Hybride aus metallorganischen Netzwerken und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren,

Für gute Superkondensatoren ist eine große Oberfläche wichtig. Dort kann sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln – das ist das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie. 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.

Lange haltbar

Doch das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Materials. Will man ein chemisch stabiles Hybrid haben, braucht man starke Bindungen zwischen den Komponenten. Die Bindungen seien dieselben wie die zwischen Aminosäuren in Proteinen, so Fischer: „Tatsächlich haben wir die Graphen-Säure mit einem MOF-Amin verknüpft – dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung.“

Die stabile Verbindung zwischen den nanostrukturierten Komponenten hat große Vorteile bei 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 Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90 % der Kapazität.

Internationales Expertennetzwerk

Fischer betont, wie wichtig bei der Entwicklung des neuen Superkondensators die ungehinderte, von den Forschern selbst gestaltete internationale Zusammenarbeit war. Das Team habe Jayaramulu Kolleboyina aufgebaut, ein indischer Gastwissenschaftler, der von der Alexander von Humboldt Stiftung eingeladen wurde und der inzwischen Leiter des Chemie-Departmen am neu gegründeten Indian Institute of Technology in Jammu ist. „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.“

Publikation:
Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, Błażej Scheibe, Štěpán Kment, Michal Otyepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zboril und Roland A. Fischer
Covalent Graphene-MOF Hybrids for High Performance Asymmetric Supercapacitors
Advanced Materials, 4.12.2020 – DOI: 10.1002/adma.202004560
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004560

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt von von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Exzellenzclusters E-Conversion, der Alexander von Humboldt-Stiftung, dem Indian Institute of Technology Jammu, der Queensland University of Technology und dem Australian Research Council (ARC). Weitere Mittel kamen aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung über das tschechische Ministerium für Bildung, Jugend und Sport.

Die Technische Universität München (TUM)…
… ist mit rund 600 Professorinnen und Professoren, 45.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006, 2012 und 2019 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.
www.tum.de

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