Die Empa will die Energietechnik mit Superkondensatoren auf der Basis von Graphen revolutionieren. Das sind schnelle und leistungsfähige Energiespeicher. Sie ergänzen die relativ langsam ladenden und entladenden Batterien in zahlreichen Einsatzgebieten, von Elektroautos über Industriemaschinen bis zu Windrädern.
Batterien haben eine hohe Leistungsdichte. Zum Laden und Entladen braucht es aber viel Zeit. Im Gegensatz dazu nehmen Superkondensatoren oder Supercaps (vom englischen «Supercapacitors») Energie sehr schnell auf und geben sie auch rasch wieder ab. Speichern können sie aber nur wenig Energie.
Technologien ergänzen sich aber sehr gut. Im Elektroauto nehmen die Kondensatoren die Bremsenergie auf und geben sie an die Batterie weiter. Auch in Solarfarmen, Windkraftanlagen und in Industriemaschinen, die schnell viel Strom brauchen, werden Superkondensatoren eingesetzt.
Wie Schnellspeicher verbessert werden können
Mit dem Einsatz von neuartigen Elektroden aus Graphen wollen Empa-Forscher die Schnellspeicher verbessern. Durch die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs werden wesentlich höhere Energiedichten erreicht. Als Ziel werden nicht rekordverdächtige Energiedichten angestrebt, sondern die Skalierbarkeit. Die verwendeten Materialien und Prozesse sollen nicht nur labortauglich, sondern auch industriell nutzbar sein.
«Superkondensatoren speichern die Energie elektrostatisch, indem sie so viele geladene Teilchen wie möglich auf der Elektrode ablagern», erklärt Jakob Heier. Bei den Superkondensatoren sind die beiden Elektroden von einem flüssigen Elektrolyten umgeben. Beim Laden und Entladen werden die Ionen hin und her transportiert. Bei den Batterien jedoch finden chemische Reaktionen statt.
Elektrostatische Speicherung
An Elektroden mit grösserer Oberfläche können mehr Ionen andocken und die Energiedichte des Superkondensators steigt. Die heute mehrheitlich verwendete hochporöse Aktivkohle hat im Gegensatz zun Graphen nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Speicherkapazität der Elektrode senkt.
Ein weiterer Nachteil entsteht bei der Verarbeitung des Materials. Die Elektroden werden in der Industrie auf flexible Folien aufgedruckt, geschnitten und zu fertigen Superkondensatoren zusammengerollt. Um die pulverförmige Aktivkohle auf ein Trägermaterial drucken zu können, wird sie mit Bindemitteln und weiteren Zusatzstoffen versehen, die ihre Porosität beeinträchtigen.
Druckbare Graphen-Tinte
Die Empa-Forscher entwickelten ein Verfahren, mit dem sich hochwertiges Graphen kostengünstig und effizient aus Graphit «abschälen» und zu einer gelförmigen druckbaren Tinte verarbeiten lässt. Durch eine geschickte Mischung zweier unterschiedlicher Graphen-Arten können die Forschenden die Grösse der Poren zwischen den Graphen-Schichten gezielt beeinflussen. «Wenn wir die Porengrösse der Elektrode auf die Grösse der Ionen im Elektrolyten abstimmen, steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an», erklärt Sina Azad, Postdoktorand im Empa-Labor «Functional Polymers». Bei Aktivkohle
ist keine derartige Kontrolle möglich.
Mit der hohen Leitfähigkeit, der präzisen Porengrösse, der grossen Oberfläche und der Skalierbarkeitb dürften die neuartigen Elektroden ein High-Tech-Produkt werden. Das Projekt läuft noch bis 2028. Dann sollte es im Idealfall marktreif sein. Die Empa will nicht nur die Technologie für die Elektroden entwickeln, sondern diese auch gleich herstellen und in funktionierende Prototypen von Superkondensatoren einbauen. Es gilt, die richtigen Prozessschritte zu definieren, einen passenden Elektrolyten zu finden und die fertigen Superkondensatoren dann auch genau zu charakterisieren. «Wir wollen ein echtes, zuverlässiges Produkt entwickeln», resümiert Azad.
