Graphen-Hybride

Superkondensatoren mit der Energiedichte von NiMH-Batterien

19. Januar 2021, 13:11 Uhr   |  Hagen Lang

Superkondensatoren mit der Energiedichte von NiMH-Batterien
© Prof. Dr. J. Kolleboyina / IITJ

Superkondensatoren mit ähnlichen Leistungsdaten wie Akkumulatoren: Diese entwickelte jetzt ein Forscherteam um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM).

Bislang waren Superkondensatoren wegen ihrer geringen Energiedichte bei den meisten Anwendungen keine Konkurrenz für Batterien. Haben Lithium-Ionen-Akkus eine Energiedichte von bis zu 265 Wh/kg, beträgt sie bei Superkondensatoren gerade ein Zehntel davon. Der an der TU München entwickelte Energiespeicher kommt derzeit auf bis zu 73 Wh/kg, was etwa der Energiedichte von Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht.

metal organic frameworks, MOF
© Prof. Dr. J. Kolleboyina / IITJ

Hybride aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren. Die hohe Elektronenbeweglichkeit ist für die schwarze Farbe des Materials verantwortlich.

Das Team um Roland Fischer entwickelte hierfür ein neuartiges Graphen-Hybridmaterial, das als positive Elektrode fungiert. Für die negative Elektrode setzten die Forscher auf eine bewährte Titan-Kohlenstoff-Materialkombination. Leistungsfähig ist das neue Material wegen seiner großen spezifischen Oberfläche, seiner steuerbaren Porengrößen und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit. Eine große Oberfläche ist bei Superkondensatoren wichtig, weil sich dort eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb des Materials ansammeln kann.

Roland Fischer erklärt zu „Hybridmaterialien“: „Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiele dafür, ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert“. 

„Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen Metal Organic Frameworks - MOFs mit der leitfähigen Graphensäure“, erklärt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer. Das Materialdesign der Forscher verknüpft die Graphensäure chemisch mit den MOFs. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm und sind als positive Elektrode in einem Superkondensator sehr leistungsfähig.

Auch die Langzeithaltbarkeit ist ermutigend: Hat ein klassischer Lithiumionen-Akku eine Lebensdauer von ca. 5000 Zyklen, behält die neue Zelle der TUM-Forscher auch nach 10.000 Zyklen noch fast 90 Prozent der Kapazität. Dies ermöglichten die starken Materialverbindungen, die dieselben seien, 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.“ 

“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.“

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