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Sind Superkondensatoren eine Alternative zu Akkus?

15. Dezember 2020, 08:00 Uhr   |  Murray Slovick, Intelligent TechContent

Sind Superkondensatoren eine Alternative zu Akkus?
© Eaton / Hy-Line

Nach einem Bericht des Marktforschungsinstituts IDTechEx könnten Superkondensatoren schon bald in der Lage sein, Batterien in vielen Anwendungen zu ersetzen. Möglich wird dies durch neue Materialien. Im Folgenden einige Auszüge aus diesem Bericht.

Superkondensatoren haben signifikante Vorteile gegenüber Batterien: Sie sind viel leichter, lassen sich schneller laden, sind sicherer und ungiftig. Da sich Lithium-Ionen-Batterien jedoch rasant verbessert haben und ihre Kosten erheblich gesunken sind, beschränken sich Superkondensatoren nach wie vor auf Nischenanwendungen, in denen Eigenschaften wie Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und schnelle Lade- und Entladezeiten von zentraler Bedeutung sind.

Aber die Dinge könnten sich ändern. Neue Materialien kommen auf den Markt, um Superkondensatoren gegenüber Batterien konkurrenzfähig zu machen. Dies geht aus einem aktuellen Bericht von Analysten des Marktforschungsinstituts IDTechEx mit dem Titel Supercapacitor Materials and Formats 2020-2040 hervor [1]. Raghu Das, der CEO von IDTechEx, bemerkte, dass »Superkondensatoren bald physikalische Fähigkeiten haben werden – beispielsweise dehnbar, biokompatibel und biologisch abbaubar –, bei denen Batterien problematisch sind«. Der Bericht führt die sich abzeichnenden Fortschritte auf neue Materialien und Formate zurück. Dies dürfte auch dazu führen, dass sich wesentlich mehr Forscher für dieses Thema interessieren. Im Folgenden einige Beispiele daraus.

Umweltgerechtes  Elektrolyt

Die Entwicklung leichter und biegsamer Superkondensatoren mit hoher volumetrischer Kapazität ist unabdingbar, um bei Energiespeichern für portable Geräte und Wearables einen Durchbruch zu erzielen. Ein Forschungsteam von Skoltech, der Aalto University und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen leistungsstarken, kostengünstigen, umweltfreundlichen und dehnbaren Superkondensator entwickelt, der in Wearables eingesetzt werden könnte [2].

Skoltech, SuperCap, Graphene
© Skoltech

Bild 1: Aufbau des Superkondensators, der aus stickstoffdotierten Graphen-Elektroden besteht, die mit einem NaCl-haltigen Hydrogel-Elektrolyten getränkt sind.

Dieser Superkondensator besteht aus stickstoffdotierten Graphen-Elektroden, die mit einen NaCl-haltigen Hydrogel-Elektrolyten getränkt sind. Diese Struktur wird zwischen zwei Stromkollektoren eingebracht, die dehnbare Folien mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthalten (Bild 1). Dem Bericht zufolge entschieden sich die Forscher für den wässrigen Hydrogel-Elektrolyten, weil organische Lösungsmittel als Alternative zur Steigerung der Energiedichte gesundheitsschädlich sind und die Leistungsdichte verringern können. Wässrige Elektrolyte verursachen diese Probleme nicht und sind zudem leitfähiger.

Professor Albert Nasibul von Skoltech erklärte: »Wir fertigten einen Prototyp, der nach tausend Dehnungszyklen eine unveränderte Leistung bei 50-prozentiger Dehnung aufwies. Um die Kosten niedrig zu halten und eine höhere Umweltverträglichkeit zu gewährleisten, verwendeten wir einen Elektrolyten auf Basis von Kochsalz. Gleichwohl lassen sich die Herstellungskosten durch den Einsatz von 3D-Druck oder anderen zukunftsweisenden Fertigungstechniken weiter senken.«

Reduziertes Graphenoxid

Die enorme Verbreitung von mobilen elektronischen Geräten, Elektroautos, Drohnen und anderen Technologien hat die Nachfrage nach neuen, möglichst leichten Materialien, die die Energie für deren Betrieb liefern können, erhöht. Graphen wird oft als Ersatz für Aktivkohle in Superkondensatoren vorgeschlagen, zum Teil wegen seiner hohen relativen Oberfläche, die noch größer ist als die von Aktivkohle. Eine größere Oberfläche bedeutet, dass sich mehr elektrische Ladung speichern lässt. Darüber hinaus punkten Superkondensatoren auf Basis von Graphen durch geringes Gewicht, Elastizität und mechanische Festigkeit.

Eine Variante von Graphen ist Graphenoxid (GO). Dieses ist ein brauchbares und vielversprechendes Material für die Anwendungen in Supraleitern, denn es hat interessante Eigenschaften, die sich von denen des Graphens unterscheiden können. Forscher an der University of Houston und der Texas A&M University haben eine strukturierte Superkondensator-Elektrode entwickelt, die aus reduziertem Graphenoxid und Aramid-Nanofaser besteht [3]. Graphenoxid besitzt eine sehr gute Leitfähigkeit und andere positive Eigenschaften, aus Aramid-Nanofaser lassen sich Elektroden fertigen, die angeblich stabiler und vielseitiger sind als herkömmliche Elek-troden auf Basis von Kohlenstoff.

Während das reduzierte Graphenoxid hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, bietet die Aramid-Nanofaser eine mechanische Festigkeit, die die Vielseitigkeit der Elektrode für eine Vielzahl von Anwendungen erhöht. Das Forschungsteam der University of Houston zeigte auch, dass die Modellierung auf der Grundlage der Material-Nanoarchitektur ein genaueres Verständnis der Eigenschaften der Verbundwerkstoff-Elektroden liefern kann als die traditionelle Modellierungsmethode, bekannt als Modell für poröse Materialien.

Genauere Modellierungsverfahren werden den Forschern helfen, neue und leistungsfähigere Materialien zu finden, die eine längere Batterielebensdauer und mehr Energie bei geringerem Gewicht liefern können.

Leitfähige Polymere

University of Surrey, SuperCap
© University of Surrey

Bild 2: Spezifische Kapazität des Superkondensators, der Polyanilin (PANi) enthält.

Eine Superkondensator-Technologie, die elektrische Energie mit hoher Leistung speichern und wieder abgeben kann, haben Forscher des Advanced Technology Institute der University of Surrey beschrieben [4]. Sie eignet sich möglicherweise auch für den Einsatz in Elektroautos und zur Reduzierung von Energieverlusten im öffentlichen Versorgungsnetz, das auf erneuerbaren Energien aufbaut. Das Team geht auch davon aus, dass ihre Technologie dazu beitragen kann, den Fortschritt bei Wind-, Wellen- und Sonnenenergie voranzutreiben, indem sie die schwankende Verfügbarkeit dieser Energiequellen verringert.

Diese Superkondensator-Technologie basiert auf einem Material namens Polyanilin (PANI), das Energie durch einen Mechanismus speichert, der als Pseudokapazität bekannt ist. Polyanilin ist eine Art leitendes Polymer, dessen hohe spezifische Kapazität (Bild 2), hohe Flexibilität und niedrige Kosten ihm ein großes Potential in Superkondensatoren verleihen, insbesondere für die Fertigung einer Elektrode.

University of Surrey, SuperCap
© University of Surrey

Bild 3: So entsteht der Polyanilin-basierte Superkondensator.

Bisher schränkte jedoch die mangelnde Stabilität von Polyanilin dessen Anwendung ein. Die Kombination von Polyanilin mit anderen aktiven Materialien (Kohlenstoffmaterialien, Metallverbindungen oder anderen Polymeren) kann diese inhärenten Nachteile jedoch überwinden. Dieses Polymermaterial wird als Elektrode in einem Superkondensator-Bauelement verwendet. Die Elektrode speichert Ladung, indem sie Ionen in der Elektrode einfängt. Dies geschieht durch den Austausch von Elektronen mit dem Ion, wodurch das Material »dotiert« wird. In ihrer Arbeit beschreibt das Team, wie sie einen neuen dreilagigen Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), Polyanilin und hydrothermalen Kohlenstoff entwickelt haben (Bild 3).

Ash Stott, leitender Wissenschaftler des Projekts und Doktorand an der Universität Surrey, erklärte: »Die Zukunft der weltweiten Energieversorgung wird davon abhängen, dass Energie effizienter genutzt und übertragen wird. Superkondensatoren haben sich bereits als eine der wichtigsten Technologien erwiesen, um intermittierende Energie zu speichern und hohe Leistungen abzugeben. Unsere Arbeit hat eine Grundlage für Bauteile mit hoher Energie geschaffen, die auch im Hochleistungsbereich arbeiten können. Dadurch erweitert sich das Spektrum der möglichen Anwendungen.«

Manganoxid

Ein weiterer neuer Superkondensator auf der Basis von Manganoxid könnte die Speicherkapazität von Batterien mit der großen Leistungsdichte und Schnellladefähigkeit anderer Superkondensatoren kombinieren [5], so die Forscher der Penn State University und zweier chinesischer Hochschulen: der Minjiang University und der Guizhou Education University. »Manganoxid ist definitiv ein vielversprechendes Material«, sagte Huanyu Cheng, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik am Institut für Materialforschung der Penn State. »Durch die Kombination mit Kobalt-Manganoxid bildet es eine Heterostruktur, durch die wir die Eigenschaften der Grenzflächen einstellen können.«

Penn State University, SuperCap
© Penn State University

Bild 4: Durch eine Heterostruktur aus Manganoxid mit Kobalt-Manganoxid als positiver Elektrode und einer Form von Graphenoxid als negativer Elektrode erhält man einen asymmetrischen Superkondensator mit hoher Energiedichte.

»Bei der Erforschung von Manganoxid mit Kobalt-Manganoxid als positiver Elektrode und einer Form von Graphenoxid als negativer Elektrode erhält man einen asymmetrischen Superkondensator mit hoher Energiedichte, bemerkenswerter Leistungsdichte und ausgezeichneter Zyklenfestigkeit«, so Cheng Zhang, der als Gastwissenschaftler in der Gruppe von Huanyu Cheng tätig war und der Hauptautor der Arbeit ist (Bild 4).

Die Forschergruppe hat ihren Superkondensator mit anderen verglichen und behauptet, die Energiedichte und Leistung sei viel höher. Sie gehen davon aus, dass ihr Material durch die Vergrößerung der Abmessungen und der Dicke für den Einsatz in Elektroautos geeignet sei. Im nächsten Schritt wollen die Forscher nun die Grenzfläche, an der sich die halbleitenden und leitenden Schichten berühren, auf höhere Leistungen abstimmen. Sie wollen den Superkondensator als Energiequelle für bereits vorhandene biegsame, tragbare Elektronik und Sensoren oder direkt als selbstversorgende Sensoren integrieren.

Abdruck mit freundlicher Genehmigung von TTI.

Referenzen

[1] P. Harrop, et al., Supercapacitor Materials and Formats 2020-2040, IDTechEx

[2] E. Gilshtein, et al., Superior environmentally friendly stretchable supercapacitor based on nitrogen-doped graphene/hydrogel and single-walled carbon nanotubes, Journal of Energy Storage, Volume 30, August 2020, DOI: 10.1016/j.est.2020.101505

[3] S. Aderyani, et al., Comparison of Nanoarchitecture to Porous Media Diffusion Models in Reduced Graphene Oxide/Aramid Nanofiber Electrodes for Supercapacitors, ACS Nano 2020, 14, 5, 5314–5323, DOI: 10.1021/acsnano.9b07116

[4] A. Scott, et al., Exceptional rate capability from carbon-encapsulated polyaniline supercapacitor electrodes, Energy Environmental Materials, DOI: 10.1002/eem2.12083

[5] C. Zhang, et al., Efficient coupling of semiconductors into metallic MnO2@CoMn2O4 heterostructured electrode with boosted charge transfer for high-performance supercapacitors, Electrochimica Acta, Volume 347, 2020, DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136246

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