Hocheffiziente Superkondensatoren erreichen Energiedichte von Batterien und Akkus.<\/p>\n\n\n\n
Einem Team um Roland Fischer, Professor f\u00fcr Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) ist es gelungen, einen hocheffizienten Superkondensator zu entwickeln. Basis des Energiespeichers ist ein neuartiges, leistungsf\u00e4higes und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial, das vergleichbare Leistungsdaten aufweist wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.<\/p>\n\n\n\n
Energiespeicherung bringt man \u00fcblicherweise mit Batterien und Akkus in Verbindung, die die Energie f\u00fcr elektronische Ger\u00e4te bereitstellen. Doch in Laptops, Kameras, Handys oder Fahrzeugen werden neben Batterien mittlerweile auch immer mehr sogenannte Superkondensatoren eingebaut.<\/p>\n\n\n\n
Anders als Batterien k\u00f6nnen sie sehr schnell gro\u00dfe 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.<\/p>\n\n\n\n
Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre geringe Energiedichte. W\u00e4hrend Lithiumionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm (Wh\/kg) erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.<\/p>\n\n\n\n
Nachhaltiges Material bringt H\u00f6chstleistungen<\/h5>\n\n\n\n
Nun hat ein Team um den TUM-Chemiker Roland Fischer ein neuartiges, leistungsf\u00e4higes und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial f\u00fcr Superkondensatoren entwickelt. Es dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bew\u00e4hrten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode.<\/p>\n\n\n\n
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 \u2013 Chemiker nennen den Superkondensator daher \u201easymmetrisch\u201c.<\/p>\n\n\n\n
Hybridmaterialien: Vorbild ist die Natur<\/h5>\n\n\n\n
Die Forscher setzen dabei auf eine neue Strategie, um die Leistungsgrenzen g\u00e4ngiger Materialien zu \u00fcberwinden, auf sogenannte Hybridmaterialien. \u201eDie Natur ist voll von hochkomplexen, evolution\u00e4r optimierten Hybridmaterialien \u2013 Knochen und Z\u00e4hne sind Beispiel daf\u00fcr, ihre mechanischen Eigenschaften wie H\u00e4rte oder Elastizit\u00e4t hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert\u201c, sagt Roland Fischer.<\/p>\n\n\n\n
Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien \u00fcbertrug das Forschungsteam auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch ver\u00e4ndertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Ger\u00fcstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF).<\/p>\n\n\n\n
Leistungsf\u00e4hig und stabil<\/h5>\n\n\n\n
Entscheidend f\u00fcr die Leistungsf\u00e4higkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine gro\u00dfe spezifische Oberfl\u00e4che und steuerbare Porengr\u00f6\u00dfen, andererseits eine hohe elektrische Leitf\u00e4higkeit. \u201eDie hohe Leistungsf\u00e4higkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikropor\u00f6sen MOFs mit der leitf\u00e4higen Graphen-S\u00e4ure\u201c, erkl\u00e4rt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.<\/p>\n\n\n\n
F\u00fcr gute Superkondensatoren ist eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che wichtig, dort kann sich eine entsprechend gro\u00dfe Anzahl von Ladungstr\u00e4gern innerhalb eines Materials ansammeln \u2013 das ist das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie.<\/p>\n\n\n\n
Den Forschern gelang es, durch geschicktes Materialdesign die Graphens\u00e4ure chemisch mit den MOFs zu verkn\u00fcpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr gro\u00dfe innere Oberfl\u00e4chen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, und sind als positve Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsf\u00e4hig.<\/p>\n\n\n\n
Lange haltbar<\/h5>\n\n\n\n
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 Aminos\u00e4uren in Proteinen, so Fischer: \u201eTats\u00e4chlich haben wir die Graphen-S\u00e4ure mit einem MOF-Amin verkn\u00fcpft \u2013 dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Die stabile Verbindung zwischen den nanostrukturierten Komponenten hat gro\u00dfe Vorteile hinsichtlich der Langzeitstabilit\u00e4t der Kondensatoren: Je stabiler eine Verkn\u00fcpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind m\u00f6glich, ohne wesentlich an Leistung einzub\u00fc\u00dfen.<\/p>\n\n\n\n
Zum Vergleich: Ein klassischer Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher beh\u00e4lt auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90 Prozent der Kapazit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n
Internationales Expertennetzwerk<\/h5>\n\n\n\n
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 gegr\u00fcndeten Indian Institute of Technology in Jammu ist.<\/p>\n\n\n\n
\u201eUnser Team hat sich auch mit Experten der Elektrochemie und Batterieforschung in Barcelona und mit Graphen-Derivat-Fachleuten aus der Tschechischen Republik vernetzt\u201c, sagt Fischer. \u201eDar\u00fcber hinaus sind noch Partner aus USA und Australien eingebunden. Diese gro\u00dfartige internationale Zusammenarbeit l\u00e4sst noch einiges erwarten.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, B\u0142a\u017cej Scheibe, \u0160t\u011bp\u00e1n 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 \u2013 DOI: 10.1002\/adma.202004560<\/a><\/li><\/ul>\n\n\n