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Neuartiger Superkondensator

Energiedichte wie eine Bleibatterie

27. Februar 2020, 11:33 Uhr | Ralf Higgelke

Superkondensatoren haben eine hohe Leistungsdichte, aber eine im Vergleich zu Akkus niedrige Energiedichte. Britische und chinesische Forscher haben einen biegsamen Superkondensator aus Graphen vorgestellt, der eine Energiedichte von 88 Wh/l besitzt. Damit könnte er Akkus teilweise ersetzen.

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Hochleistungsfähige und schnell aufladbare Superkondensatoren können normalerweise keine große Energiemenge auf kleinem Raum speichern. In einer Konzeptstudie konnten Forscher des University College London (UCL) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nachweisen, dass ihr neuer Superkondensator beides kann. Die Ergebnisse wurden nun in der Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Das Bauteil erreicht eine Energiedichte von 88,1 Wh/l (Wattstunde pro Liter). Dies ist laut den Forschern der höchste jemals für Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis gemeldete Wert. Eine ähnliche kommerziell verfügbare, schnellladefähige Technologie bringt es auf einen Wert von 5 Wh/l bis 8 Wh/l. Langsam aufladende Bleibatterien, wie sie in Elektrofahrzeugen verwendet werden, haben in der Regel 50 Wh/l bis 90 Wh/l. Gleichzeitig liegt die Leistungsdichte des neuen Superkondensators mit über 10 kW/l um zwei Größenordnungen höher als bei Bleibatterien.

Zwar liegen Lithium-Ionen-Akkus mit 200 Wh/l bis 500 Wh/l noch deutlich darüber, dürfen aber nur in einem begrenzten Maße entladen werden. Das ist bei Superkondensatoren völlig anders, denn sie lassen sich vollständig entladen, ohne dass sie Schaden nehmen.

Dr. Zhuangnan Li (UCL Chemistry), der Erstautor, erklärte: »Unser neuer Superkondensator ist äußerst vielversprechend für Energiespeicher der nächsten Generation ‒ entweder als Ersatz für aktuelle Akkus oder für den Einsatz parallel dazu, um dem Anwender eine höhere Leistung zu bieten.« Er ergänzt: »Üblicherweise kann man ein solches Bauteil nur entweder auf hohe Leistungsdichte oder auf hohe Energiedichte hin optimieren. Aber unser Superkondensator bietet beides. Dies ist ein echter Durchbruch.«

Die Forscher stellten Elektroden aus mehreren Schichten von Graphen her. Dadurch entstand ein dichtes, jedoch poröses Material, das Ionen unterschiedlicher Größe aufnehmen kann. Die Forscher charakterisierten es mit verschiedenen Techniken und stellten fest, dass es am besten arbeitet, wenn die Größe der Poren dem Durchmesser der Ionen im Elektrolyten entspricht.

Selbst wenn der Superkondensator um 180° gebogen wurde, erbrachte er fast die gleiche Leistung wie ungebogen, und nach 5000 Zyklen verfügte er immer noch über 97,8 Prozent seiner Kapazität. Der 6 cm × 6 cm große Superkondensator besteht aus zwei gleichartigen Elektroden mit einem gelartigen Elektrolyten dazwischen. Da der Elektrolyt nicht flüssig ist, minimiert sich die Explosionsgefahr, sodass der Kondensator sich bestens in gebogene Telefone oder tragbare Elektronik integrieren lässt.

Originalpublikation

Li, Z., Gadipelli, S., Li, H. et al. Tuning the interlayer spacing of graphene laminate films for efficient pore utilization towards compact capacitive energy storage. Nat Energy 5, 160–168 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-0560-6