Ein internationales Team der Technischen Universität München (TUM) hat einen neuen hocheffizienten Superkondensator entwickelt. Basis des Energiespeichers sei ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial, teilten die Forscher jetzt mit. Es diene als positive Elektrode im Energiespeicher. Den Forschern zufolge weisen die neuartigen „Super-Caps“ vergleichbare Leistungsdaten auf wie aktuell verwendete Batterien und Akkus.
Der Clou: Anders als Batterien können Superkondensatoren sehr schnell große Energiemengen speichern und ebenso schnell wieder abgeben. Bremst beispielsweise ein Zug bei der Einfahrt in den Bahnhof ab, speichern Superkondensatoren die Energie und stellen sie wieder bereit, wenn der Zug beim Anfahren sehr schnell sehr viel Energie braucht.
Das Prinzip machte sich der Nutzfahrzeughersteller MAN schon 2008 bei dem Prototypen des Stadtbusses „Lion’s City Hybrid“ zunutze: Zwölf Module von Supercaps mit jeweils 24 Zellen nahmen hier die im Stopp&Go-Verkehr erzeugte Bremsenergie auf und steuerten sie bei Bedarf in den Antrieb zurück. Der Kraftstoffverbrauch der Busse sank auf diese Weise um bis zu 30 Prozent. Auch in Rennwagen der Formel 1 kamen sie bis 2013 zum Einsatz. Mit ihnen wurde die Bremsenergie zwischengespeichert und beim Beschleunigen aus den Kurven heraus für eine Boostfunktion genutzt.
Aber auch in der Unterhaltungselektronik oder Kommunikationstechnik kommen herkömmliche Superkondensatoren schon seit Jahren zum Einsatz. Ein bekanntes Beispiel ist die Standlichtfunktion bei der Fahrradbeleuchtung: Schon bei einer Fahrt von wenigen hundert Metern, lädt der Dynamo den Kondensator auf. Das reicht dann aus, damit beim Stopp an einer Ampel die Lampe nicht völlig ausgeht, sondern noch einige Minuten lang weiter brennt. Auch Dynamo-Taschenlampen nutzen heute Kondensatortechnik – damit man nicht ununterbrochen kurbeln muss.
Ein Problem der Superkondensatoren war bislang jedoch ihre geringe Energiedichte: Sie erreichten bislang nur ein Zehntel der Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus. Deren Energiedichte liegt typischerweise derzeit zwischen 150 und 250 Wattstunden pro Kilogramm Gewicht (Wh/kg).
Kombination verschiedener Materialien
Der neue Energiespeicher erzielt nun eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht, der bis vor kurzem noch in Autos mit Hybridantrieb zum Einsatz kam. Darüber hinaus leiste er auch mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Das Geheimnis sei die Kombination verschiedener Materialien, sogenannte Hybridmaterialien: „Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiele dafür, ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert“, sagte TUM-Chemiker Roland Fischer.
Die abstrakte Idee der Kombination von Basismaterialien übertrug das Forschungsteam auf die Superkondensatoren. Sie verwendeten dabei als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers chemisch verändertes Graphen und verbanden es mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten »metal organic framework« (MOF).Dies mache die Super-Caps extrem leistungsfähig und lange haltbar.
Die neuen Superkondensatoren haben das Potenzial, Batterien und Akkus zumindest teilweise zu ersetzen. Zumal ein klassischer Lithiumionen-Akku nur auf eine Lebensdauer von etwa 5000 Zyklen kommt. Der neue Super-Cap aus München soll nach Angaben der Forscher auch noch nach 10.000 Zyklen über fast 90 Prozent seiner ursprünglichen Speicherkapazität besitzen.
Wann er erstmals in einem Fahrzeug zum Einsatz kommt, steht allerdings noch in den Sternen.