Energiespeicherung wird üblicherweise mit Batterien und Akkumulatoren in Verbindung gebracht, die elektronische Geräte mit Strom versorgen. Heutzutage werden jedoch sogenannte Superkondensatoren zunehmend in Laptops, Kameras, Mobiltelefonen und Fahrzeugen verbaut.
Im Gegensatz zu Batterien können diese große Energiemengen schnell speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Bremst beispielsweise ein Zug bei der Einfahrt in einen Bahnhof, speichern die Superkondensatoren die Energie und geben sie wieder ab, wenn der Zug beim Anfahren sofort einen Energieschub benötigt.
Ein Problem von Superkondensatoren war bisher jedoch ihre geringe Energiedichte. Während Lithiumbatterien eine Energiedichte von bis zu 265 Kilowattstunden (kWh) erreichen, bieten Superkondensatoren bisher nur etwa ein Zehntel davon.
Das nachhaltige Material bietet hohe Leistung
Das Team um den TUM-Chemiker Roland Fischer hat ein neuartiges, leistungsstarkes und nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren entwickelt. Es dient als positive Elektrode in dem Energiespeicher. Die Forscher kombinieren es mit einer bewährten negativen Elektrode auf Basis von Titan und Kohlenstoff.
Der neue Energiespeicher erreicht nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht, sondern übertrifft auch die meisten anderen Superkondensatoren mit einer Energiedichte von 16 kW/kg deutlich. Das Geheimnis des neuen Superkondensators liegt in der Kombination verschiedener Materialien, weshalb Chemiker ihn als „asymmetrischen“ Superkondensator bezeichnen.
Hybridmaterialien: Die Natur als Vorbild
Forscher setzen auf eine neue Strategie, um die Leistungsgrenzen herkömmlicher Materialien zu überwinden: Sie verwenden Hybridmaterialien. „Die Natur ist voller hochkomplexer, evolutionär optimierter Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiele dafür. Ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte und Elastizität wurden von der Natur durch die Kombination verschiedener Materialien optimiert“, erklärt Roland Fischer.
Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien wurde vom Forschungsteam auf Superkondensatoren übertragen. Als Grundlage nutzten sie die neuartige positive Elektrode der Speichereinheit aus chemisch modifiziertem Graphen und kombinierten diese mit einem nanostrukturierten metallorganischen Gerüst, einem sogenannten MOF.
Leistungsstark und stabil
Entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Graphen-Hybriden sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und kontrollierbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. „Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials beruht auf der Kombination von mikroporösen MOFs mit leitfähiger Graphensäure“, erklärt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ein ehemaliger Gastwissenschaftler von Roland Fischer.
Eine große Oberfläche ist für gute Superkondensatoren wichtig. Sie ermöglicht die Ansammlung einer relativ großen Anzahl von Ladungsträgern im Material – dies ist das Grundprinzip der Speicherung elektrischer Energie.
Durch geschicktes Materialdesign gelang es Forschern, Graphen mit MOFs zu kombinieren. Die so entstandenen Hybrid-MOFs weisen eine sehr große innere Oberfläche von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm auf und eignen sich hervorragend als positive Elektroden in Superkondensatoren.
Langzeitstabilität
Das ist jedoch nicht der einzige Vorteil des neuen Materials. Um einen chemisch stabilen Hybrid zu erhalten, sind starke chemische Bindungen zwischen den Komponenten erforderlich. Laut Fischer ähneln diese Bindungen offenbar denen von Aminosäuren in Proteinen: „Tatsächlich haben wir Graphensäure mit einem Aminosäure-MOF verknüpft, wodurch eine Art Peptidbindung entsteht.“.
Die stabile Verbindung zwischen nanostrukturierten Komponenten bietet enorme Vorteile hinsichtlich der Langzeitstabilität: Je stabiler die Bindungen sind, desto mehr Lade- und Entladezyklen sind ohne eine signifikante Leistungsverschlechterung möglich.
Zum Vergleich: Eine herkömmliche Lithiumbatterie hat eine Lebensdauer von etwa 5.000 Ladezyklen. Die von Forschern der TU München entwickelte neue Zelle behält selbst nach 10.000 Ladezyklen noch fast 90 Prozent ihrer Kapazität.
Internationales Netzwerk von Experten
Fischer betont die Bedeutung der uneingeschränkten internationalen Zusammenarbeit, die die Forscher bei der Entwicklung des neuen Superkondensators selbst steuerten. Jayaramulu Kolleboyina, ein Gastwissenschaftler aus Indien, der von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert wurde, baute das Gerät. Heute leitet er den Fachbereich Chemie am neu gegründeten Indian Institute of Technology in Jammu.
„Unser Team hat sich außerdem mit Experten für Elektrochemie und Batterieforschung in Barcelona sowie mit Experten für Graphenderivate aus Tschechien ausgetauscht“, berichtet Fischer. „Darüber hinaus konnten wir Partner aus den USA und Australien gewinnen. Diese hervorragende internationale Zusammenarbeit birgt großes Potenzial für die Zukunft.“
Veröffentlichung:
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 Graph-MOF Hybrids for Supercapacitors Asymmetric High Performance
Advanced Materials, 4.12.2020 – DOI: 10.1002/adma.202004560
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004560
Weitere Informationen:
Die Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzgruppe E-Conversion, der Alexander-von-Humboldt-Stiftung, dem Indian Institute of Technology Jammu, der Queensland University of Technology und dem Australian Research Council (ARC) gefördert. Weitere Mittel stammten aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, bereitgestellt vom Ministerium für Bildung, Jugend und Sport der Tschechischen Republik.
