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Bio-Superkondensatoren als mögliches Schnellladewunder

09. September 2020, 10:58 Uhr   |  Ute Häußler

Bio-Superkondensatoren als mögliches Schnellladewunder
© Dr. Hong Liang

Ein Prototyp des Bio-Superkondensators, hergestellt vom Texas A&M-Team.

Forscher der Texas A&M University haben einen neuartigen Energiespeicher auf Pflanzenbasis beschrieben, der bis zu 900 Mal mehr Ladung speichert und in naher Zukunft sogar Elektroautos innerhalb weniger Minuten aufladen könnte. Die Kondenatoren sollen zudem leicht und kostengünstig sein.

Bisher war die Integration von Biomaterialien in Energiespeichergeräte nicht massentauglich, da deren elektrische Eigenschaften schwer zu kontrollieren sind. Die Lebensdauer und eine gleichmäßige Geräteleistung werden dadurch stark beeinträchtigt. Die Herstellung der Biomaterialien kann mit chemische Behandlungen auch gefährlich sein, wie Dr. Hong Liang, Professor für Maschinenbau an der Texas A&M Universität sagt. »Wir haben jetzt ein umweltfreundliches Energiespeichergerät entwickelt, das eine überlegene elektrische Leistung hat und einfach, sicher und zu viel geringeren Kosten hergestellt werden kann«. Die Forschungsarbeit wurde in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Energy Storage vorgestellt.

Wie funktionieren Superkondensatoren?

Energiespeicher sind grundsätzlich entweder Batterien / Akkus oder Superkondensatoren. Obwohl beide Arten bei Bedarf elektrischen Strom liefern, weisen sie einige grundlegende Unterschiede auf. Während Batterien große Ladungsmengen pro Volumeneinheit speichern können, sind Superkondensatoren viel effizienter bei der Erzeugung einer großen Menge elektrischen Stroms innerhalb kurzer Zeit. Dieser Stromstoß hilft Superkondensatoren, Geräte schnell aufzuladen, im Gegensatz zu Batterien, die viel länger brauchen.

Superkondensatoren speichern Ladung auf Metallplatten oder Elektroden. Im Gegensatz zu Basiskondensatoren können Superkondensatoren in verschiedenen Größen, Formen und Ausführungen hergestellt werden, je nach der beabsichtigten Anwendung. Darüber hinaus können Superkondensator-Elektroden auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Für ihre Arbeit verwendeten Liang und ihr Team Mangandioxid-Nanopartikeln.

»Mangandioxid ist billiger, reichlich verfügbar und sicherer im Vergleich zu anderen Übergangsmetalloxiden wie Ruthenium- oder Zinkoxid, die häufig zur Herstellung von Elektroden verwendet werden«, sagte Liang. »Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch seine geringere elektrische Leitfähigkeit.«

Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass Lignin, ein natürliches Polymer, das Holzfasern zusammenhält und zusammen mit Metalloxiden verwendet wird, die elektrochemischen Eigenschaften von Elektroden verbessert. Allerdings, so Liang, habe es nur wenige Studien gegeben, die sich mit der Kombination der nützlichen Eigenschaften von Mangandioxid und Lignin befasst hätten.

900-fache Kapazität

Um die Elektrode herzustellen, behandelten Liang und ihr Team gereinigtes Lignin mit einem normalen Oxidationsmittel, Kaliumpermanganat. Dann wandten sie hohe Hitze und Druck an, um eine Oxidationsreaktion einzuleiten, die zum Abbau von Kaliumpermanganat und zur Ablagerung von Mangandioxid auf Lignin führt. Um die Bio-Elektrode zu bilden, beschichteten sie als nächstes das Lignin- und Mangandioxid-Gemisch auf eine Aluminiumplatte. Schließlich bauten die Forscher den Superkondensator zusammen, indem sie einen Gelelektrolyten zwischen die Lignin-Mangandioxid-Aluminium-Elektrode und eine weitere Elektrode aus Aluminium und Aktivkohle schichteten.

Beim Testen der neu entworfenen »grünen« Elektrode stellten sie fest, dass der Superkondensator sehr stabile elektrochemische Eigenschaften hatte. Insbesondere die spezifische Kapazität oder die Fähigkeit des Geräts, eine elektrische Ladung zu speichern, änderte sich auch nach Tausenden von Lade- und Entladezyklen nur wenig. Mit einem optimalen Lignin-Mangan-Dioxid-Verhältnis war die spezifische Kapazität bis zu 900 Mal höher als bei anderen Superkondensatoren. Liangs Team sagt zudem, dass die neuartigen Superkondensatoren sehr leicht und flexibel sind. Diese Eigenschaften erweitern ihren Einsatz, etwa auch als Energiespeicher in Fahrzeugen.

»In dieser Studie ist es uns gelungen, einen Superkondensator auf Pflanzenbasis mit ausgezeichneter elektrochemischer Leistung mit einer kostengünstigen, nachhaltigen Methode herzustellen«, sagte Liang.

In naher Zukunft möchte das Tesam die Superkondensatoren 100% umweltfreundlich machen, indem ausschließlich nachhaltige Inhaltsstoffe verwendet werden.

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