Forscher der TUM entwickeln leistungsfähiges und nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial

Neuartige Superkondensatoren können Batterien ersetzen

Graphen-Hybride (links) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine positive Elektrode für Superkondensatoren. © Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ

An der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, einen hocheffizienten Superkondensator zu entwickeln. Basis des 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 sogenannte Superkondensatoren eingebaut. Sie können sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Ein Problem der Superkondensatoren war bislang ihre geringe Energiedichte.

Der neue Energiespeicher leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren aufgrund der Kombination verschiedener Materialien. Das neu entwickelte Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, kombinierten es mit einer bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode.

Natur dient als Vorbild

Die Forscher setzen dabei 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 Fischer. Als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers wurden chemisch verändertes Graphen verwendet und mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung verbunden, einem sogenannten metal organic framework (MOF).

Für gute Superkondensatoren ist den Forschern zufolge 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 positive Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.

Lange haltbar

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

Fischer betont, wie wichtig bei der Entwicklung des neuen Superkondensators die 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-Departments am neu gegründeten Indian Institute of Technology in Jammu ist. Quelle: TUM / al

Anzeige
Baubegleiter - Produktvideo

Software für die Dokumentation und Prüfung von Maßnahmen und Nachweisen zur energetischen Baubegleitung nach KfW Programm 431

Eine Verwendung dieses Textes ist kostenpflichtig. Eine Lizenzierung ist möglich.
Bitte nehmen Sie bei Fragen Kontakt auf.

Kommentare (0)

Bisher keine Kommentare!

Neuen Kommentar schreiben

(wird nicht veröffentlicht)

Bitte tragen Sie hier die im Bild dargestellte Zeichenfolge ("Captcha") ein.
Dies dient der Vermeidung von Spam.

CAPTCHA-Bild zum Spam-Schutz Wenn Sie das Wort nicht lesen können, bitte hier klicken.