Energiespeicher Schweizer Forschungsanstalt arbeitet an skalierbare Superkondensatoren aus Graphen

Superkondensatoren sind eine wertvolle Ergänzung zu Batterien beispielsweise in Elektrofahrzeugen. Daher arbeitet die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, kurze Empa, daran, Superkondensatoren zu verbessern. Dazu setzen die Forscher auf Graphen.

Während Batterien eine große Energie-, aber eine geringe Leistungsdichte aufweisen, gilt für Superkondensator das genaue Gegenteil. Sie nehmen Energie blitzschnell auf und geben sie wieder ab, speichern können sie aber nur wenig davon. Aus diesem Grund gehen die beiden Technologien häufig Hand in Hand: Beispielsweise bei einem Stromer fangen Superkondensatoren die Bremsenergie schnell auf und geben sie später an die langsameren Batterien zur Speicherung weiter. Forscher der Empa arbeiten nun daran Superkondensatoren zu verbessern, indem sie neuartige Elektroden aus Graphen entwickeln. Dank dieser zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs sollen die Superkondensatoren wesentlich höhere Energiedichten erreichen. Doch der Fokus der Forschung liegt nicht auf neuen Rekorden, sondern auf der Skalierbarkeit. Man setzt daher von Beginn an auf Materialien und Prozesse, die sich nicht nur im Labor, sondern auch im industriellen Maßstab umsetzen lassen.

Graphen versus Aktivkohle

Ähnlich wie eine Batterie besteht ein Superkondensator aus zwei Elektroden, die von einem flüssigen Elektrolyten umgeben sind. Beim Laden und Entladen transportiert der Elektrolyt die Ionen von einer Elektrode zur anderen. Anders als bei der Batterie finden dabei jedoch keine chemischen Reaktionen statt. „Superkondensatoren speichern die Energie elektrostatisch, indem sie so viele geladene Teilchen wie möglich auf der Elektrode ablagern“, erklärt Jakob Heier, Leiter der Forschungsgruppe Functional Thin Film Solution Processing im Labor für Funktionspolymere. Das bedeutet: Je größer die Oberfläche der Elektrode, desto mehr Ionen können daran „andocken“ – und desto höher ist entsprechend die Energiedichte des Superkondensators. In der Regel kommt hochporöse Aktivkohle als Elektrodenmaterial zum Einsatz, die jedoch im Gegensatz zu Graphen nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, was die Speicherkapazität der Elektrode senkt. Ein weiterer Nachteil entsteht bei deren Verarbeitung. Die Elektroden werden in der Industrie in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf flexible Folien aufgedruckt, geschnitten und zu fertigen Superkondensatoren zusammengerollt. Um die pulverförmige Aktivkohle auf ein Trägermaterial drucken zu können, wird sie mit Bindemitteln und weiteren Zusatzstoffen versehen, die ihre Porosität beeinträchtigen.

Herausforderung: Der Druck von Graphen

Graphen zu drucken, ist nicht selbstverständlich. Reines Graphen für industrielle Anwendungen wird meist aus Graphit gewonnen. Herkömmliche Methoden liefern meist nur eine sehr geringe Ausbeute an reinem Graphen, das zudem noch aufwändig von Abfallprodukten getrennt werden muss. Die Empa-Forschenden haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich hochwertiges Graphen kostengünstig und effizient aus Graphit „abschälen“ und zu einer gelförmigen druckbaren Tinte verarbeiten lässt.

Diese Graphen-Tinte punktet mit einem entscheidenden Vorteil bei der Herstellung der Supercap-Elektroden: Durch eine geschickte Mischung zweier unterschiedlicher Graphen-Arten können die Forschenden die Größe der Poren zwischen den Graphen-Schichten gezielt beeinflussen. «Wenn wir die Porengröße der Elektrode auf die Größe der Ionen im Elektrolyten abstimmen, steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an», erklärt Empa-Forscher Sina Azad. Bei Aktivkohle ist keine derartige Kontrolle möglich.

Projekt bis 2028

Bis zum Projektende im Jahr 2028 gibt es für die Forscher noch viel zu tun, denn sie wollen nicht nur die Technologie für die Elektroden entwickeln, sondern diese auch gleich herstellen und in funktionierende Prototypen von Superkondensatoren einbauen. Es gilt, die richtigen Prozessschritte zu definieren, einen passenden Elektrolyten zu finden, und die fertigen Superkondensatoren dann auch genau zu charakterisieren. (se)

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