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Indian Institute of Technology

Elektroden für Superkondensatoren aus Maishülsen

10. August 2020, 12:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Elektroden für Superkondensatoren aus Maishülsen
© IITH, ARCI

Forscher des Indian Institute of Technology in Hyderabad haben aus Maishülsen nun Material für Elektroden von Superkondensatoren hergestellt.

Bei der Weiterverarbeitung von Mais fallen die Hülsen als Abfall an. Anstatt diese wie bislang einfach zu verbrennen, könnte man sie auch nutzbringend verwenden. Forscher des Indian Institute of Technology in Hyderabad haben daraus nun Material für Elektroden von Superkondensatoren hergestellt.

Mit seinen mit bald 1,4 Milliarden Einwohnern hat Indien einen enormen Bedarf an Nahrungsmitteln, beispielsweise aus Mais. Laut der Welternährungsorganisation FAO produzierte das Land im Jahr 2019 etwa 28.980.000 Tonnen. Dabei fallen die Hülsen (fachsprachlich Lieschblätter oder Lieschen) als Abfall an. Gegenwärtig wird der Großteil davon verbrannt, da ihr Potenzial zur Umwandlung in wertvolles Elektrodenmaterial aufgrund mangelnden Bewusstseins, fehlender Fachkenntnisse und fehlender Technologie nicht genutzt wird.

Forscher am Indian Institute of Technology (IITH) in Hyderabad haben ein einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um Aktivkohle aus Maishülsen als Elektrodenmaterial für Hochspannungs-Superkondensatoren zu gewinnen. Damit ließe sich auch eine ganze Kette zusätzlicher Verdienstmöglichkeiten für Maisbauern. Denn weltweit wächst der Markt für Superkondensatoren laut Analysten mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate (CAGR) von 12 Prozent auf voraussichtlich 720 Millionen US-Dollar im Jahr 2025.

Die Forschungsarbeiten wurden von Dr. Atul Suresh Deshpande, Assistenzprofessor am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Metallurgie am IIT Hyderabad, in Zusammenarbeit mit Dr. T. N. Rao, stellvertretender Direktor des International Advanced Research Centre for Powder Metallurgy and New Materials (ARCI), Hyderabad, zusammen mit ihren beiden Studenten M. Usha Rani und K. Nanaji geleitet. Ihre Forschungsarbeit, die das Syntheseverfahren und die elektrochemische Leistung des hergestellten Materials detailliert beschreibt, wurde vor kurzem im Journal of Power Sources veröffentlicht.

Elektroden auf Kohlenstoffbasis spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Energiespeichern. In der Regel werden diese Elektroden aus teuren, hochreinen Ausgangsstoffen wie Polymeren, organischen Vorprodukten und hochreinen Gasen mit verschiedenen Verfahren hergestellt. Kohlenstoff-Elektroden aus Biomasse herzustellen, ist demgegenüber ein einfacher und unkomplizierter Prozess. Dr. Rao kommentierte dies so: »Aktivkohle aus natürlichen Quellen ist ein sehr vielversprechendes Elektrodenmaterial für Superkondensatoren. So verwendet die renommierte Firma Maxwell[heute ein Teil von Tesla; Anm. d. Red.] in ihren Bauteilen Aktivkohle aus Kokosnüssen.«

Indian Institute of Technology, Supercapacitors, corn, India
© Journal of Power Sources

Mit diesem einfachen und skalierbaren Verfahren wird aus den Maishülsen die Aktivkohle für die Elektroden von Superkondensatoren hergestellt.

Um aus Maishülsen Aktivkohle mit großer Oberfläche und poröser schichtartiger Morphologie zu erhalten, fügten die Forscher Kaliumhydroxid (KOH) als Aktivierungsmittel hinzu. Dadurch entsteht eine schichtförmige Morphologie. Durch das Zusammenspiel von Morphologie und hoher spezifischer Oberfläche (1378 m²/g) steigt die Speicherfähigkeit des Elektrodenmaterials aus Aktivkohle. Die Speicherkapazität der Aktivkohle wurde unter Verwendung eines Hochspannungselektrolyten (1M Tetra-Ethyl-Ammonium-Tetrafluoroborat (TEABF4) in Acetonitril (AN)) getestet. Dabei zeigte sich eine höhere elektrische Leistungsfähigkeit (20 Wh/kg bzw. 681 W/kg) bei 1 A/g als bei Elektroden in herkömmlichen Superkondensatoren. Die spezifische Kapazität beträgt 80 F/g und es zeichnet sich durch eine gute Zyklenfestigkeit aus. Nach 5000 Zyklen bei 2 A/g beträgt die Kapazität noch 90 Prozent des Anfangswerts.

Dr. Rao fügte hinzu: »Die wichtigste wissenschaftliche Herausforderung bei dieser Forschung ist die Gestaltung der Porengröße von Aktivkohle mit einer großen Oberfläche und einer Porengröße, durch die die Ionen des Elektrolyten möglichst gut von den Poren aufgenommen werden können, was wiederum zu einer hohen Kapazität führt. Der Gruppe am IITH ist es in Zusammenarbeit mit der ARCI gelungen, Maishülsen in hochleistungsfähige Aktivkohle für Superkondensatoren umzuwandeln. Da Maishülsen in großem Umfang als Abfall anfallen, ist auch die entsprechende Verfahrenstechnik skalierbar.«

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