Graphen-Hybride aus metallorganischen Netzwerken (metal organic frameworks, MOF) und Graphensäure ergeben eine hervorragende positive Elektrode für Superkondensatoren, die damit eine ähnliche Energiedichte erreichen wie Nickel-Metallhydrid-Akkus. (Bild: J. Kolleboyina / IITJ)
Basis des Energiespeichers ist ein laut der TUM neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial. Dieses soll vergleichbare Leistungsdaten aufweisen wie aktuell verwendete Batterien und Akkus. Der neue Energiespeicher erzielt den Forschern zufolge nicht nur eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg, was in etwa der Energiedichte eines Nickel-Metallhydrid Akkus entspricht. Mit seiner Leistungsdichte von 16 kW/kg leiste er auch deutlich mehr als die meisten anderen Superkondensatoren. Das Geheimnis des neuen Superkondensators liegt den Forschern zufolge in der Kombination verschiedener Materialien – Chemiker nennen den Superkondensator daher „asymmetrisch“.
Um die Leistungsgrenzen gängiger Materialien zu überwinden, setzen die Wissenschaftler auf 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“, sagt 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).
Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Graphen-Hybride seien einerseits eine große spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrößen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit, erklären die Wisenschaftler. Für gute Superkondensatoren sei zudem eine große Oberfläche wichtig. Durch geschicktes Materialdesign sei es gelungen, die Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben Angaben der TUM zufolge sehr große innere Oberflächen von bis zu 900 Quadratmetern pro Gramm und sind als positive Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.
