Neuer Superkondensator aus hauchdünnen Graphenschichten speichert soviel Strom wie ein Nickelmetallhydrid-Akku

Zerknitterte Graphenschichten

Dayton (USA) - Die Lithium-Akkus in ersten Elektroautos brauchen viele Stunden, um sich voll aufzuladen. Sehr viel schneller können dagegen Superkondensatoren Strom speichern und wieder abgeben. War bisher die Energiedichte dieser Stromspeicher für Laptop, Handy oder Strommobil viel zu gering, konnte sie nun von amerikanischen und chinesischen Wissenschaftlern drastisch gesteigert werden. Wie das Team in der Fachzeitschrift "Nano Letters" berichtet, verhalfen hauchdünne Schichten aus dem Kohlenstoffwerkstoff Graphen zu dieser enormen und für die Akku-Industrie relevanten Verbesserung mobiler Stromspeicher.

"Die Werte für die Energiedichte sind vergleichbar mit denen von Nickelmetallhydrid-Batterien (NiMH)", schreiben Bor Z. Jang von dem Unternehmen Nanotek Instruments in Dayton. Zusammen mit Kollegen von der Firma Angstron Materials und der chinesischen Dalian University of Technology nutzte sein Team die nur eine Atomlage dünnen Graphenschichten für die Elektroden des Superkondensators. Vermischt mit Acythylen-Ruß fertigten sie auf Trägerfolien aus Kunststoff einen doppellagigen Kondensator von der Größe einer Geldmünze.

Dieser Prototyp konnte bei Raumtemperatur bis auf eine Energiedichte von 85,6 Wattstunden pro Kilogramm aufgeladen werden. Handelsübliche Akkus auf der Basis von Nickelmetallhydrid erreichen vergleichbare Werte. Bei einer Stromdichte von einem Ampere pro Gramm konnte die Energiedichte bei höheren Temperaturen bis 80 Grad sogar auf 136 Wattstunden pro Kilogramm gesteigert werden. Die Lade- und Entladungsvorgänge liefen, wie für Superkondensatoren üblich, innerhalb weniger Sekunden ab.

Eine Ursache für diesen Sprung der Energiedichte liegt in der großen Oberfläche der Graphenschichten. Nur ein einziges Gramm dieses Werkstoffs hat eine Oberfläche von über 2000 Quadratmetern, das entspricht etwa der Größe eines Fußballfeldes. Da die dünnen Schichten jedoch die Eigenschaft haben, leicht aneinander zu haften, ließ sich die große Oberfläche bisher nur schwer für Kondensatoren nutzen. Dieses Problem umgingen die Forscher, indem sie bewusst zerknitterte statt ebener Graphenschichten verwendeten.

In weiteren Versuchen wollen Jang und Kollegen die Energiedichte mit ihrer patentierten Methode soweit steigern, um auch Werte von Lithiumionen-Akkus zu erreichen. Damit stünde prinzipiell eine Technik zur Verfügung, mobile Stromspeicher für Elektroautos innerhalb weniger Minuten aufladen zu können. Bis dahin müssen die Forscher noch die Lebensdauer der Superkondensatoren untersuchen und ein Fertigungsverfahren für größere Speichereinheiten mit gekoppelten Superkondensatoren entwickeln.