Bildrechte: imago images/Motorsport Images

Leistungsstark und langlebig Energiespeicher: Superkondensatoren statt Akkus

14. Januar 2021, 18:10 Uhr

Wenn bei der Formel 1 die Motoren aufheulen, dann sind Superkondensatoren im Spiel. Sie können die Bremsenergie speichern und beim Beschleunigen dann wieder nutzen. Gleiches gilt zum Beispiel auch bei Zügen. Ein Forschungsteam um Professor Roland Fischer von der Technischen Universität München hat nun ein Material entwickelt, dass Superkondensatoren noch leistungsfähiger macht. Damit könnten sie Akkus ergänzen oder sogar ersetzen.

von Anne-Dorette Ziems

Sind Sie heute schon einem Superkondensator begegnet? Garantiert. Denn wir kommen ständig mit ihnen in Kontakt. Sie sind in unseren Smartphones, Laptops, aber auch in Fahrzeugen. Superkondensatoren speichern Energie und haben im Vergleich zu Batterien und Akkus einen Vorteil: Sie können die Energie schneller speichern und auch schneller wieder abgeben.

"Ein Superkondensator ist da gut, wo es darum geht, ganz viel Energie rein- und rauszuspeichern", erklärt Dr. Andreas Battenberg, Pressereferent der Technischen Universität München.

Graphen ist eine Erscheinungsform von Kohlenstoff. Die Moleküle sind in einer Kristallstruktur verbunden, die nur ein Atom dick ist. Bildrechte: pixabay

Problemkind Energiedichte

Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithiumionen-Akkus schwächeln sie aber bei der Energiedichte. Superkondensatoren müssten viel größer sein, um die gleiche Menge Energie speichern zu können wie Akkus. Lithiumionen-Akkus erreichen eine Energiedichte von bis zu 265 Wattstunden pro Kilogramm, bisherige Superkondensatoren nur etwa ein Zehntel davon.

Der neue Superkondensator von der TU München erzielt 73 Wattstunden pro Kilogramm, also fast dreimal so viel wie herkömmliche Superkondensatoren. Aber immer noch deutlich weniger als die gängigen Lithiumionen-Akkus, die zum Beispiel in Smartphones verbaut sind.

Doch nicht nur die Energiedichte ist viel höher als bisher. Der Superkondensator hält auch länger. Nach 10.000 Lade- und Entlade-Zyklen hat er immer noch 88 Prozent der ursprünglichen Kapazität. Zum Vergleich: Smartphone-Akkus haben schon nach 500 Ladezyklen nur noch etwa 80 Prozent der Anfangskapazität.

So funktioniert ein Kondensator:Ein Kondensator ist ein Energiespeicher. Er besteht aus zwei Elektroden (aus leitfähigem Material) und dem Dielektrikum (Isolationsmaterial zwischen den Elektroden). Liegt eine Stromquelle mit einer Gleichspannung an, entsteht zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld. In dem Feld werden elektrische Ladungen und damit deren Energie gespeichert. Der Kondensator ist aufgeladen.

Die gespeicherte Ladung pro Spannung heißt Kapazität. Die Kapazität hängt von der Fläche der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Abstand der Elektroden zueinander ab. Je höher die Kapazität, desto mehr Ladung und Energie kann der Kondensator speichern.

Wird der Kondensator jetzt von der Stromquelle getrennt, bleibt die Spannung konstant und die Energie erhalten. Nun kann man einen Energie-Verbraucher an den Kondensator anschließen und der Kondensator entlädt sich.

Superkondensatoren haben kein Dielektrikum wie herkömmliche Kondensatoren, sondern sind durch ein Elekrolyt verbunden. Sie haben eine größere Energiedichte und Kapazität. Es gibt verschiedene Arten von Superkondensatoren, je nach Material und Bauweise der Elektroden.

Wunderwaffe Graphen-Hybrid

Für den Erfolg sorgt das neue Material für die positive Elektrode – ein Graphen-Hybridmaterial. Die negative Elektrode ist nicht neu. Sie basiert auf Titan und Kohlenstoff. "Toll wäre, wenn es nur Graphen wäre", findet Dr. Andreas Battenberg, denn Graphen bestehen nur aus Kohlenstoff. Aber es gibt ein Problem, erklärt Battenberg: "Graphenschichten lagern sich gerne zusammen und dann hat die Elektrode nicht genug Oberfläche."

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. Bildrechte: J. Kolleboyina / IITJ

Eine große Oberfläche ist wichtig für Superkondensatoren, damit sich eine große Menge an Ladungsträgern an der Elektrode ansammeln kann. Dieses Problem umgeht das Team von der TU München mit einer sogenannten nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung. Das heißt, sie verbinden das Graphen chemisch mit einer metallorganischen Verbindung, die auf Zirkon basiert. Diese Kombination hat große innere Oberflächen und ist als positive Elektrode in dem Superkondensator sehr leistungsfähig.

Umweltfreundlich?

Der neue Superkondensator punktet zwar vor allem mit einer besseren Leistung, aber er sei auch nachhaltig – gerade im Vergleich zu anderen Batterie- und Akku-Materialien. Batterien sind generell sehr ineffizient. Die Herstellung einer Batterie verbraucht mehr Energie, als die Batterie später liefert. Das wirkt sich auch auf den Geldbeutel aus. Batterien sind teurer als Strom aus der Steckdose. Auch Akkus sind nicht immer nachhaltig und umweltfreundlich. Bis 2016 gab es noch Nickel-Cadmium-Akkus. Weil Cadmium ein giftiges Schwermetall ist, sind sie mittlerweile verboten.

Lithium für Lithiumionen-Akkus ist zwar weder giftig, noch ein rares Element in der Erdkruste, dennoch ist die Gewinnung des Leichtmetalls nicht unproblematisch. Abgebaut wird es hauptsächlich in Salzseen in Südamerika. Dafür brauchen die Hersteller viel Wasser. Das führt dazu, dass das Wasser in der Region für Menschen und Landwirtschaft immer knapper wird.

Bis der neue Superkondensator der TU München kommerziell eingesetzt werden kann dauere es aber noch fünf bis zehn Jahre, prognostiziert Dr. Andreas Battenberg. Es fehle noch an Produktionsprozessen und Langzeittests.

Link zur Studie

Die Ergebnisse der Forschung sind in "Advanced Materials" veröffentlicht worden. Titel der Studie: Covalent Graphene‐MOF Hybrids for High‐Performance Asymmetric Supercapacitors.