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Superkondensatoren

Neues 2D-Elektrodenmaterial ermöglicht bis zu 150 Wh/l

24. Juni 2020, 11:30 Uhr | Ralf Higgelke

Forscher am RCPTM Olomouc haben Materialien auf Basis von Graphen entwickelt, die die Energie- und Leistungsdichte von Superkondensatoren auf ein ganz neues Niveau bringen. Sie konnten 150 Wh/l bei 5 kW/kg nachweisen. Möglich sein sollen bis zu 50 kW/kg.

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Superkondensatoren befinden sich auf dem Sprung, bei der Energiedichte zu den Batterien aufzuschließen, während die Leistungsdichte im Bereich der Kondensatoren liegt. Dafür hat das Regional Centre of Advanced Technologies and Materials RCPTM im tschechischen Olomouc ein neues aktives Elektrodenmaterial für Basis von Graphen entwickelt. Damit bieten sie das Potenzial, Batterien und Akkus in einer Vielzahl von elektronischen Einheiten in EV/HEV-Fahrzeugen, Smartphones, Wearables sowie industriellen, medizinischen oder Raumfahrt-Anwendungen zu ersetzen bzw. zu unterstützen.

Diese neuen Materialien überwinden das Hauptproblem der heutigen Superkondensatoren, denn bislang ließen sie sich entweder auf Energiedichte oder auf Leistungsdichte optimieren. Mit dem neuen Material auf 2D-Graphenbasis können beide Parameter ein hohes Niveau bei der Energiedichte von 150 Wh/l bei 5 kW/kg erreichen. Geht es nach den Forschern, könnte mit 50 kW/kg das Zehnfache erreichbar sein.

Zum Vergleich: Blei-Säure-Batterien für Elektrofahrzeuge weisen typischerweise eine Energiedichte unter 100 Wh/l auf, während die maximale Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus zwischen 250 Wh/l bis 670 Wh/l mit einer Leistungsdichte unter 1 kW/kg erreicht. Aktuelle handelsübliche Superkondensatoren für Schnellladung haben eine relativ geringe Energiedichte, die typischerweise unter 10 Wh/l liegt. Neueste Forschungsergebnisse (veröffentlicht im Jahr 2020) belegen Superkondensatoren mit Energiedichten bis zu 90Wh/l. Diese liegen jedoch signifikant niedriger als die hier vorgestellten Ergebnisse.

Die neuen Materialien werden im Rahmen des virtuell durchgeführten Anwenderforums Passive Bauelemente am 1. Juli 2020 vom RCPTM-Kooperationspartner EPCI European Passive Components Institute in der Präsentation »Doubling of SuperCapacitors Energy and Power Density with Graphene« von Dr. Tomáš Zedníček, President des EPCI, vorgestellt.

Energiedichte und Leistungsdichte gleichzeitig optimiert

Um solche Werte zu erreichen, untersuchen die Forscher am RCPTM zwei neue Materialien, bei denen leicht verfügbares Fluorographen verwendet wird: kovalent funktionalisiertes 3D-Graphen und stark N-dotiertes 2D-Graphen, die jeweils für die kostengünstige Massenfertigung von Elektroden zur Verfügung stehen. Superkondensatoren aus diesen neuen Materialien weisen eine ausgezeichnete Stabilität und nur einen geringen Kapazitätsverlust nach Tausenden von Ladezyklen auf. Dies unterscheidet sie von einigen gängigen Superkondensator-Technologien.

»Wir untersuchten zwei Möglichkeiten, wie sich die Fähigkeit, Energie zu speichern, von Graphen-Elektroden in Superkondensatoren erhöhen ließen«, erklärt Prof. Michal Otyepka, Teamleiter am RCPTM. »Zum einen war es kovalent funktionalisiertes 3D-Graphen und zum anderen stark N-dotierte 2D-Graphenstrukturen mithilfe der Fluorographen-Chemie. Zwar wies das 3D-Graphenmaterial mit bis zu tausend Farad pro Gramm ein Rekordniveau bei der Energiedichte auf, doch die Begrenzung der Leistungsdichte und die hohen Materialkosten veranlassten uns, über einen völlig anderen Ansatz nachzudenken. Das hoch N-dotierte 2D-Graphenmaterial erzielte eine extrem hohe Leistungsdichte in Kombination mit einer rekordverdächtigen Energiedichte.«

Mit Fremdatomen dotiertes Graphen kann seine elektronische Struktur erheblich verändern. Dadurch entstehen neuartige 2D-Materialien mit abstimmbaren elektronischen, magnetischen und chemischen Eigenschaften, die in verschiedenen Anwendungen genutzt werden können, nicht nur in Superkondensatoren. Insbesondere kann die Dotierung mit Stickstoff aktive Zentren auf Graphen einprägen, die für (elektro)katalytische, elektrochemische Energiespeicherung und Sensoren und Spintronik-Anwendungen geeignet sind.

»Die wichtigste Neuerung unserer Forschung im Bereich 2D-Materialien ist ein bisher unerforschter Prozessweg, bei dem Fluorographen verwendet wird, um außergewöhnlich hoch N-dotiertes Graphen zu synthetisieren«, fügt Otyepka hinzu. »Durch unser neuartiges Verfahren können wir sehr leitfähiges 2D-Material mit hochdichter Struktur herstellen, das die Konzentration von Nano-Ladungsfallen und leitfähigen Nanokanälen erhöht. Auf diese Weise kombiniert es eine hohe Energiespeicherfähigkeit mit einer hohen Leistungsdichte.«

Die Forschung zu kovalent funktionalisiertem Graphen als geeignetes Elektrodenmaterial für Superkondensatoren wurde vom RCPTM-Team bereits im Jahr 2018 in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials unter dem Titel High-Performance Supercapacitors Based on a Zwitterionic Network of Covalently Functionalized Graphene with Iron Tetraaminophthalocyanine und im FlatChem Journal im Jahr 2019 unter Covalently functionalized graphene as a supercapacitor electrode material. Auf diese Arbeiten folgte im Jahr 2020 eine Veröffentlichung im ACS Sustainable Chemical Engineering mit dem Titel Tunable Synthesis of Nitrogen Doped Graphene from Fluorographene under Mild Conditions.