Graphen-Elektrode für den Einsatz in Superkondensatoren.
Fraunhofer IPA
Getrieben von Superkondensatoren. Die Elektromobilität wird sich grundlegend ändern, wenn es gelingt, die Akkumulatoren innerhalb kürzester Zeit zu laden. Forscher wollen dazu neuartige Nano-Superkondensatoren nutzen.
Mit Graphen wollen Forscher Kondensatoren auf maximale Energiedichte trimmen. Denn sie sind der Ansicht, dass Superkondensatoren, die mit Batterien gekoppelt sind, den Ladevorgang künftig erheblich verkürzen. Diese alternativen Stromspeicher laden und entladen schnell und unterstützen den sparsamen Umgang mit Energie im Elektroauto. Beim Bremsen wird bisher bei Verbrennungsmotoren Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt, die jedoch ungenutzt verpufft. In Stromern dagegen wandeln Generatoren die Bewegungs- in elektrische Energie um, die von Superkondensatoren blitzschnell aufgenommen und gespeichert werden kann. Im Gegensatz zu Batterien sind sie in Sekunden geladen und liefern den elektrischen Strom bei Bedarf zurück.
Wichtige Eigenschaften der schnellen Speicher sind Energie- und Leistungsdichte – also Energie, beziehungsweise Leistung pro Masse. Darin sehen die Wissenschaftler auch die Herausforderung: Superkondensatoren verfügen zwar über eine hohe Leistungsdichte, ihre Energiedichte muss jedoch optimiert werden. Dort sind sie bestehenden Batterietechnologien unterlegen, ihre Energiespeicherkapazität ist geringer. Um das zu ändern wollen im Rahmen des EU-Projekts ElectroGraph zehn Partner aus Forschung und Industrie neuartige Superkondensatoren mit einer deutlich erhöhten Speicherfähigkeit entwickeln.
Netz von Kohlenstoffatomen vergrößert die Oberfläche der Elektroden
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart koordinierte das Projekt, das jetzt erfolgreich abgeschlossen wurde. „Beim Speichervorgang wird die elektrische Energie in den Elektroden aufgenommen. Je größer die nutzbare Fläche der Elektroden entwickelt wird, desto mehr Energie kann gespeichert werden“, erläutert Carsten Glanz, Projektleiter und Gruppenleiter am IPA.
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Mit seiner extrem hohen spezifischen, sprich der messbaren inneren Oberfläche von bis zu 2600 m2/g und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit bietet es sich als Elektrodenmaterial geradezu an. Dem bislang verwendeten Werkstoff Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 100 und 800 m2/g ist es deutlich überlegen. Graphen besteht aus einem ultradünnen, einlagigen Netz von Kohlenstoffatomen. Es vergrößert die Oberfläche der Elektroden erheblich. „Der Raum zwischen den Elektroden ist mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt. Hierbei setzen wir auf ionische Flüssigkeiten. Graphenbasierte Elektroden in Kombination mit ionischen Elektrolyten sind die ideale Materialkombination“, erklärt Glanz.
Räumlich verteilte Kondensatoren im Auto entlasten die Batterie
Die Forscher haben die Graphen-Schichten derart zueinander angeordnet, dass zwischen den einzelnen Lagen ein Abstand besteht, konnten sie ein Herstellungsverfahren etablieren, durch das die theoretisch verfügbare Oberfläche des Nanomaterials auch tatsächlich nutzbar wird. Es verhindert, dass sich die einzelnen Graphen-Schichten verbinden. Denn das hätte zur Folge, dass sich die Speicherfläche verringern würde und damit auch die speicherbare Energiemenge. Laut den Forschern besitzen die entwickelten Elektroden bereits heute eine um 75% höhere Speicherkapazität im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Elektroden, die bisher in Superkondensatoren eingesetzt werden. Sie gehen davon aus, dass im Auto der Zukunft eine Batterie mit vielen, räumlich verteilten Kondensatoren gekoppelt sein wird, die etwa die Steuerung von Klimaanlage, Navigationssystem und Spiegeln übernehmen, so dass die Batterie entlastet und Spannungsspitzen beim Anlassen des Autos abgefangen werden können. Die Batterie ließe sich somit auch kleiner bauen.