Alternative zum Akku
Ein Superkondensator mit Graphenelektroden erreicht Energiedichten wie NiMH-Akkus.
Physik Journal – Ein Superkondensator mit Graphenelektroden erreicht Energiedichten wie NiMH-Akkus.
Superkondensatoren gelten als attraktive mobile Energiequelle, da sie im Gegensatz zu Akkus wartungsfrei und langlebiger sind. Sie benötigen nur eine sehr einfache Ladeschaltung und zeigen keinen Memory-Effekt. Mehr noch: Superkondensatoren lassen sich sehr schnell laden und entladen. Sie bestehen aus zwei Elektroden, die mit einem Elektrolyten benetzt sind. Liegt eine äußere Spannung an diesem auch Doppelschichtkondensator genannten Bauteil an, sammeln sich an beiden Elektroden Ionen umge-kehrter Polarität. Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den elektrisch leitenden Elektrolyten in Reihe geschaltet sind. Sie speichern die Energie nicht chemisch wie ein Akku, sondern elektrostatisch. Bislang erreichen sie jedoch nur relativ geringe Energiedichten, etwa ein Viertel bis ein Drittel im Vergleich zu Bleiakkus und nur ein Achtel bis Zehntel eines Nickelmetallhydrid-Akkus (NiMH), ganz zu schweigen von einem Vergleich mit Lithium-Ionen-Zellen.
Bild: Speziell hergestellte gekrümmte Graphenplättchen bewahren die große aktive Oberfläche einer Elektrode vor dem Verkleben. (Bildquelle: Nano Letters)
Forschern der amerikanischen Firmen Nanotek Instruments und Angstron Materials ist es nun gemeinsam mit Wissenschaft-lern der chinesischen Dalian University of Technology gelungen, einen Superkondensator zu entwickeln, dessen Energiedichte bei Zimmertemperatur mit 85,6 Wh/kg im Wertebereich eines NiMH-Akkus liegt. Das Labormuster nutzt Elektroden aus Graphen, die die Forscher bei der Herstellung mit einem Additiv und einem gängigen Bindemittel vermischen. So erreichen sie, dass die große spezifische Oberfläche des Graphens erhalten bleibt: Weil sie eine gekrümmte Form annehmen, verkleben die einzelnen Graphenplättchen nicht mehr miteinander. Bislang war das Haupthindernis bei der Fertigung von Graphenelektroden, dass sich die Porengrößen der Elektroden durch die „verklumpten“ Graphenplättchen so weit verringerten, dass der Elektrolyt nicht mehr in sie eindringen konnte und sich daher keine Ladungsschichten mehr ausbildeten.
Die Forscher konnten nachweisen, dass ihr Graphensuperkondensator die Energie tatsächlich elektrostatisch speichert: Würde eine so genannte Pseudokapazität vorliegen, ließe er sich nicht so schnell – innerhalb von Sekunden bis Minuten – laden oder entladen, weil eine Redox-Reaktion ablaufen müsste. Mit einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt betreiben die Wissenschaftler ihren Superkondensator bei mehr als 4 V Spannung und einer Stromdichte von 1 A/g.
Michael Vogel
Quelle: Physik Journal, Januar 2011, S. 16
