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Neuartige Kondensatoren: Energiedichte steigern, Materialien austesten

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Biegsame Hochleistungskohlenstoffelektrode aus Nanofasern. (Quelle: INM)

Cleantech, Energiewende News / Saarbrücken, Halle a.d.Saale. Welche Energiespeicher werden uns in Zukunft helfen, den Photovoltaik- und Windstrom, der nicht gerade in der Nähe verbraucht wird, zu speichern? Perspektivisch gibt es eine ganze Reihe von Technologien der Energiewende, die hierzu in Frage kommen. Welche Lösungen aber schon in fünf oder zehn Jahren zur Verfügung stehen, ist unklar. In Saarbrücken und Halle an der Saale tüfteln Fortscher am Energiespeicher der Zukunft: Doppelschichtkondensatoren einerseits und am Superkondensator andererseits.

Am Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken entwickeln Forscher neuartige Doppelschichtkondensatoren als Alternative zu herkömmlichen Batterien. Darin lässt sich der Strom in Sekundenschnelle speichern und nahezu verlustfrei und beliebig oft wieder abrufen. Das BMBF fördert das neue Forschungsvorhaben im Rahmen der Leuchtturmprojekte der Speicherinitiative mit rund drei Millionen Euro für fünf Jahre.

Doppelschichtkondensatoren im Alltag

Doppelschichtkondensatoren findet man heute schon in modernen Stadtbussen in Shanghai, in Notstromaggregaten des Airbus A380 oder in alltäglichen Akkuschraubern. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo hohe Verlässlichkeit gefordert ist und wo schnell viel Energie gespeichert oder abgerufen werden soll. Doppelschichtkondensatoren erfüllen viele Bedingungen, die ein moderner Energiespeicher erfüllen sollte: Er muss kostengünstig in der Herstellung sein, viel Energie auf möglichst kleinem Raum speichern und muss sich schnell und häufig ohne Verschleiß beladen und entladen lassen.

Dass in Doppelschichtkondensatoren schnell Energie gespeichert werden kann, liegt am elektrochemischen Speicherprinzip: Ionen in einem flüssigen Elektrolyten werden an je eine positiv und eine negativ geladene Elektrode angelagert, die über eine nicht-leitende Wand, den sogenannten porösen Separator, getrennt sind. Diese elektrochemische Doppelschicht ist in sich ladungsneutral und kann die darin gespeicherte Energie in Sekunden wieder freigeben. Der Stromfluss sowohl zum Beladen als auch zum Entladen erfolgt durch Stromabnehmer an diesen Elektroden. Je mehr positive und negative Ladungen sich anhäufen und je höher die angelegte Spannung ist, umso mehr Energie kann gespeichert werden. Deshalb ist es wichtig, Elektroden mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche herzustellen: Besteht sie zum Beispiel aus fünf Gramm Aktivkohle hat die Elektrode eine innere Oberfläche von einem Fußballfeld.

Forschungsprojekt „nanoEES3D“

Nun gilt es, die Energiedichte durch Veränderung der Materialzusammensetzung zu verbessern: Im Forschungsprojekt „nanoEES3D“ werden die Forscher deshalb ganz genau betrachten, wie sie das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Poren von Hochleistungskohlenstoffen für den schnellen Transport von Ionen verbessern können. Auch durch die eingesetzten Elektrolyte – beispielsweise durch den Einsatz von Hybridmaterialien, die hochporöse Kohlenstoffe mit redxaktiven Metalloxidnanopartikeln kombinieren – lässt sich die Speicherkapazität erhöhen. Über Pseudokondensatoren kann so die Energiedichte massiv erhöht werden – allerdings besteht die Gefahr, dass Langelbigkeit und Reaktionsschnelligkeit leiden.

Forscher aus Halle tüfteln am Superkondensator

Einen Superkondensator wollen Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg entwickeln. Dort hat man die Idee des „Super-Kon“-Energiespeichers geboren. Grundlage ist die physikalische Speicherung von elektrischer Energie in Dünnschichtbauelementen. Kondensatoren haben generell den Vorteil, dass sie schneller ge- und entladen werden und viele Tausend Lade- und Entladezyklen erlauben. Doch bislang ist – auch in diesem Fall – die Energiedichte nicht ausreichend.

Daher erforschen die Wissenschaftler – daran beteiligen sich 15 Mitarbeiter der Fachbereiche Physik, Chemie und Materialwissenschaften der Uni – im Rahmen  des ForMaT-Programms (Forschung für den Markt im Team) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung neuartige Kondensatoren aus Komposit-Materialien, die vergleichbare Energiedichten wie die von verfügbaren, aber in der Anwendbarkeit begrenzten, Doppelschichtkondensatoren erreichen soll.

Dazu werden keramische Stoffe einerseits und  Kunststoffe andererseits sowie deren beste Eigenschaften, gezielt genutzt. „Unsere Vision ist es, in zehn Jahren einen Superkondensator als Speicher für Windenergie zu haben“, berichtet Projektleiter Hartmut Leipner. Einen wichtigen Meilenstein wollen die Wissenschaftler schon bis Jahresende erreichen: Dann soll ein erster Demonstrator fertig sein.

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