Leistungsstarker Akku aus Kohlenstofffasern

Ein Akku, der sich in einer knappen Minute auflädt, wäre für viele Anwendungen wünschenswert. Genau dieses Ziel verfolgen mehrere Forschergruppen weltweit. Im Fachblatt „Nature Nanotechnology“ beschreiben Wissenschaftler um Dingshan Yu von der Nanyang Technological University in Singapur nun einen sogenannten Superkondensator, der in Zukunft Lithium-Ionen-Akkus ersetzen könnte. Der Vorteil: Dank neuer Materialien könnten solche Superkondensatoren den Strom schneller speichern als Batterien, in denen elektrochemische Prozesse beim Laden und Entladen ablaufen.

Die Grundlage dafür bilden Substanzen, die eine große aktive Oberfläche aufweisen. Diese findet man etwa bei extrem dünnen Kohlenstoffschichten aus Graphen – einem Material, das sich binnen weniger Jahre zu einem viel versprechenden Werkstoff für leistungsfähige Superkondensatoren entwickelt hat. So entstanden schon zahlreiche Prototypen, die wie erwartet hohe Kapazitätswerte und eine gute Stabilität zeigten. Zudem ließen sich diese Superkondensatoren tatsächlich binnen weniger Minuten aufladen. Allein die Energiedichte blieb bisher zu gering, um mit Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren zu können. Genau diese Hürde konnten die Wissenschaftler aus Singapur überwinden.

„Mit höherer Leistungsdichte und längerer Lebenszeit sind Mikro-Superkondensatoren eine viel versprechende Alternative zu herkömmlichen Akkus“, sagt Koautor Yuan Chen, ebenfalls von der Nanyang Technological University. Das Team entwickelte eine flexible und zugleich stabile Kohlenstofffaser, die auch in puncto Energiedichte mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten kann. Dazu mischten die Forscher Flocken aus Graphenoxid mit einwandigen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Zu einer Suspension auf Wasserbasis fügten sie das Lösungsmittel Ethylendiamin hinzu. Diese Suspension leiteten Yu und Kollegen durch eine Kapillare aus Siliziumoxid und heizten das Materialgemisch für sechs Stunden auf 220 Grad Celsius auf. Dabei ordneten sich die Kohlenstoffpartikel selbstständig zu einer filigranen, dreidimensionalen Struktur an. Es entstand eine rund fünfzig Mikrometer dicke Faser, die getrocknet eine sehr hohe Ladekapazität aufwies. Ergänzt mit einem Elektrolyten aus Polyvinylalkohol und Phosphorsäure ließen sich winzige Superkondensatoren fertigen.

Testmessungen belegten, dass diese Superkondensatoren wegen ihrer großen aktiven Oberfläche von bis zu vierhundert Quadratmetern pro Gramm elektrischen Strom effizient speichern konnten. Mit knapp 6,3 Milliwattstunden pro Kubikzentimeter erreichten erste Prototypen ähnliche Energiedichten wie herkömmliche Dünnschicht-Lithium-Ionen-Akkus. „Das ist ein wichtiger Fortschritt, um die Energielücke zwischen Superkondensator und Mikrobatterien schließen zu können“, sagt Chen. Zusätzlich zeigten diese Stromspeicher – wie für Superkondensatoren üblich – eine extrem hohe Leistungsdichte von über einem Watt pro Kubikzentimeter und damit zwei Größenordnungen höher als bei Lithium-Ionen-Akkus.

Energie- und Leistungsdichte blieben auch nach 10 000 Ladezyklen erhalten. Selbst tausendfaches Verbiegen der flexiblen und dennoch stabilen Fasern hatte kaum Einfluss auf die herausragenden Eigenschaften. Eine einzelne Faser des Superkondensators konnte jedoch nur sehr kleine Strommengen zur Verfügung stellen. So verknüpften die Forscher mehrere Kondensatorfasern sowohl in Serien- als auch in Reihenschaltung und versorgten mit diesen Prototypen testweise einzelne Leuchtdioden mit Strom. Auch den Weg zur Massenproduktion dieser Kondensatorfasern halten sie für möglich und demonstrierten erfolgreich die Produktion einer 50 Meter langen Faser innerhalb von 48 Stunden.

Solche Versuche belegen, dass Superkondensatoren auf Graphenbasis bald zu neuartigen Stromspeichern alternativ zu Lithium-Ionen-Akkus führen könnten. Wegen ihrer Flexibilität ließen sie sich leicht in Textilien integrieren. Verlockend ist vor allem das schnelle Aufladen binnen weniger Minuten. In weiteren Schritten müssten die Forscher größere Module mit Dutzenden, wenn nicht Hunderten Kondensatorfasern entwickeln, um die Ladekapazitäten von herkömmlichen Akkus zu erreichen. Zuerst würde der Einsatz für mobile Elektronik – vom Sensor über Smartphones bis zum Laptop – im Fokus stehen. Später könnten dann auch größere Stromspeicher etwa für Elektroautos entstehen.