Graphen-Hybride (links) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren, die damit eine ähnliche Energiedichte erreichen, wie Nickeln-Metallhydrid-Akkus

Graphen-Hybride (links) aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren, die damit eine ähnliche Energiedichte erreichen, wie Nickeln-Metallhydrid-Akkus (Bild: TU München)

Bisher ist der Einsatz von Superkondensatoren noch durch eine geringe Energiedichte limitiert. Während Lithiumionen-Akkumulatoren eine Energiedichte von bis zu 265 Wh/kg erreichen, liefern bisherige Superkondensatoren lediglich ein Zehntel davon.

Nun hat ein Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM), ein leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren entwickelt. Es dient als positive Elektrode im Energiespeicher. Die Forscher kombinierten es mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlenstoff basierenden negativen Elektrode. Der daraus resultierende Energiespeicher erzielt damit nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht, sondern leistet mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg auch deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist die Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher asymmetrisch.

Hybridmaterialien als Basis des Kondensators

Die Forscher setzen bei dem Superkondensator auf Hybridmaterialien. Sie verwendeten als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung (metal organic framework; MOF). Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride sind einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. „Die hohe Leistungsfähigkeit des Materials basiert auf der Kombination des mikroporösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure“, erklärt Erstautor Jayaramulu Kolleboyina, ehemaliger Gastwissenschaftler bei Roland Fischer.

Für gute Superkondensatoren ist eine große Oberfläche wichtig, denn dort kann sich eine entsprechend große Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln. Den Forschern gelang es, durch geschicktes Materialdesign die Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm, und sind als positve Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.

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Kondensator länger haltbar als Batterie

Doch das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Materials. Um ein chemisch stabiles Hybridmaterial herzustellen, braucht es starke Bindungen zwischen den Komponenten. Die Bindungen seien dieselben wie die zwischen Aminosäuren in Proteinen, so Fischer: „Tatsächlich haben wir die Graphen-Säure mit einem MOF-Amin verknüpft – dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung.“ Die stabile Verbindung zwischen den nanostrukturierten Komponenten hat Vorteile hinsichtlich der Langzeitstabilität der Kondensatoren: Je stabiler eine Verknüpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne wesentlich an Leistung einzubüßen. Zum Vergleich: Ein klassischer Lithiumionen-Akku hat eine Lebensdauer von rund 5000 Zyklen, die neue Zelle der TUM-Forscher behält auch noch nach 10.000 Zyklen fast 90 Prozent der Kapazität.

(prm)

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