Graphen-Elektroden aus dem DVD-Brenner ermöglichen Energiedichten von 600 Wh/kg

Superkondensatoren Graphen-Elektroden aus dem DVD-Brenner ermöglichen Energiedichten von 600 Wh/kg

29.03.2012Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Kalifornische Forscher haben mit einem handelsüblichen LightScribe-Laufwerk zum Beschriften von DVDs Graphen-Elektroden hergestellt, mit denen sich Superkondensatoren mit der vierfachen Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus realisieren lassen. Die hervorragenden Lade- und Entladeeigenschaften sowie die Zyklenfestigkeit der Supercaps bleiben dabei erhalten.

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Richard B. Kerner: „Unsere Forschungen zeigen, dass neue Superkondensatoren mit Graphen-Elektroden ebenso viel Energie speichern wie konventionelle Akkus, sich aber hundert- oder tausendmal schneller laden und entladen lassen.“ (Bild: UCLA)

Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren haben eine deutlich höhere Kapazität als herkömmliche Kondensatoren. In vielen Anwendungen sind sie als Energiespeicher erste Wahl, da sie wesentlich schneller geladen und entladen werden können als Akkus. Allerdings haben herkömmliche Doppelschichtkondensatoren nur einen Bruchteil der Energiedichte von Akkus. Ein Superkondensator, der Lade- und Entladeeigenschaften eines Kondensators mit der Energiedichte von Akkus kombiniert, wäre deshalb ein enormer Fortschritt in Sachen Energiespeicherforschung.

Schematischer Aufbau eines Super- oder Doppelschichtkondensators (Bild: NASA)

Erforderlich sind dazu jedoch Elektroden, die einerseits extrem leitfähig sind und andererseits eine deutlich größere und leichter zugängliche Oberfläche haben als die Kohleelektroden herkömmlicher Superkondensatoren.

Elektroden aus dem DVD-Laufwrek

Wissenschaftlern der University of California in Los Angeles (UCLA) ist es nun gelungen, solche Elektroden herzustellen – und zwar mithilfe eines handelsüblichen LightScribe-Laufwerks, wie es zum Beschriften von DVDs verwendet wird. Die Elektroden bestehen aus einem ausgedehnten Graphen-Netz mit einer Dicke von gerade einmal einem Atom. Diese Graphenschicht zeigt hervorragende mechanische und elektronische Eigenschaften und bietet zudem eine einzigartig große Oberfläche.

5-mW-Laser erzeugt Graphen-Netz

Zur Fertigung des Graphen-Superkondensators wird auf eine DVD eine Schicht von Graphitoxid aufgetragen. Diese Scheibe wird anschließend in ein LightScribe-DVD-Laufwerk eingelegt, dessen 5-mW-Laser in mehreren Durchläufen aus der Graphitoxidschicht ein einlagiges Graphen-Netz erzeugt.

Fünfmal höhere Oberfläche als herkömmlicher Kohleelektroden

Diese LSG-Elektroden (Laser Scribed Graphene) haben eine Oberfläche von 1520 m²/g – das ist drei- bis fünfmal mehr als bei den Kohleelektroden herkömmlicher Superkondensatoren. Zudem sind sie mechanisch sehr robust – in Tests überstanden die Superkondensatoren ein tausendfaches Durchbiegen ohne Kapazitätsverlust.

Leistungsdichte bis zu 2800 kW/kg

Ebenfalls wichtig ist die Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials: LSG-Elektroden haben hier mit mehr als 1700 S/m eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als aktivierter Kohlenstoff mit gerade einmal 10 bis 100 S/m. Dank dieser hohen Leitfähigkeit kann der LSG-Kondensator sehr schnell geladen und entladen werden und bringt es so auf eine Leistungsdichte von etwa 2800 kW/kg.

Vierfache Energiedichte eines Lithium-Ionen-Akkus

Die Eigenschaften des LSG-Kondensators hängen in hohem Maße auch vom verwendeten Elektrolyten ab. Die höchste Energiedichte erreichte ein LSG-Kondensator mit 1-Ethyl-3-Methylimidazolium-Tetrafluoroborat als der Elektrolyt mit 276 F/g und einer Betriebsspannung von 4 V. Das entspricht einer Energiedichte von über 600 Wh/kg, was etwa der vierfachen Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus entspricht.

Robuste und langlebige Hochleistungsspeicher

Schematischer Aufbau des von Wissenschaftlern der University of California in Los Angeles entwickelten LSG-Superkondensators (Bild: UCLA)

„Unsere Forschungen zeigen, dass neue Superkondensatoren mit Graphen-Elektroden ebenso viel Energie speichern wie konventionelle Akkus, sich aber hundert- oder tausendmal schneller laden und entladen lassen“, erklärt Richard B. Kerner, Professor für Chemie- und Materialforschung und -entwicklung an der UCLA. Ins gleiche Horn stößt auch Maher F. El-Kady, Student und Hauptautor der Studie: „Wir haben gezeigt, wie sich Hochleistungs-Superkondensatoren auf Graphen-Basis mithilfe eines handelsüblichen DVD-Laufwreks einfach, schnell und elegant fertigen lassen“.

Vorgestellt wurden die Ergebnisse in der jüngsten Ausgabe des Magazins „Science“.

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