Empa entwickelt verbesserte Superkondensatoren für Elektrofahrzeuge
Die Mitarbeiter der Schweizer Forschungseinrichtung treiben die Superkondensator-Technologie voran, indem sie auf Graphen basierende Elektroden entwickeln, die für die industrielle Fertigung maßgeschneidert sind. Das Team will sowohl die Herausforderungen hinsichtlich der Energiedichte als auch der Skalierbarkeit angehen, um Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zu erneuerbaren Energiesystemen zu unterstützen.
„Superkondensatoren speichern die Energie elektrostatisch, indem sie so viele geladene Teilchen wie möglich auf der Elektrode ablagern“, erklärt Jakob Heier, Leiter der Forschungsgruppe „Functional Thin Film Solution Processing“ bei der Empa. Im Gegensatz zu Batterien, die auf chemischen Reaktionen basieren und eine höhere Energiedichte, aber langsamere Lade- und Entladeraten aufweisen, können Superkondensatoren Energie schnell aufnehmen und abgeben, speichern jedoch weniger. Aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeiten eignen sie sich laut Empa gut für regenerative Bremssysteme in Elektrofahrzeugen sowie für Industriemaschinen und Windenergieanlagen.
Höhere Leitfähigkeit als Aktivkohle
Derzeit verwenden die meisten kommerziellen Superkondensatoren aufgrund ihrer großen Oberfläche Aktivkohle als Elektrodenmaterial. „Aktivkohle hat jedoch eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Speicherkapazität der Elektrode beeinträchtigt“, erklärt die Empa in ihrer Pressemitteilung. Die Verwendung von Bindemitteln und Additiven im Roll-to-Roll-Elektrodendruckverfahren verringert die Porosität und Leistung zusätzlich.
Die auf Graphen basierende Alternative der Empa soll diese Einschränkungen überwinden. „Wenn wir die Porengröße der Elektrode auf die Größe der Ionen im Elektrolyten abstimmen, steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an“, sagte Postdoktorand Sina Azad. Das Team verwendet zwei Arten von Graphen mit unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften, wodurch eine präzise Kontrolle über die Porengröße und den Schichtabstand möglich ist.
Diese Weiterentwicklung wird durch ein proprietäres Exfoliationsverfahren ermöglicht, das in einem früheren Projekt entwickelt wurde und eine effiziente und kostengünstige Umwandlung von Graphit in hochwertiges Graphen ermöglicht. Die daraus resultierende druckbare Graphen-Tinte ist mit den in der Industrie bereits verwendeten Roll-to-Roll-Verarbeitungstechniken kompatibel.
Technologie mit Partnern oder als Spin-off auf den Markt bringen
Die Elektroden sind so konstruiert, dass sie eine höhere Leitfähigkeit, eine definierte Porenstruktur und eine verbesserte Ionenzugänglichkeit bieten – alles Faktoren, die zu einer höheren Energiedichte und Effizienz beitragen. Heier fügte hinzu: „Am Ende des Projekts wollen wir unsere Technologie auf den Markt bringen, entweder mit Industriepartnern oder über ein eigenes Spin-off.“
Die Forschung wird von Bridge, einem gemeinsamen Programm des Schweizerischen Nationalfonds und Innosuisse, unterstützt und läuft bis 2028. Das Projekt zielt nicht nur auf die Entwicklung von Elektroden ab, sondern auch auf den Bau funktionierender Superkondensator-Prototypen, die Definition der Prozessschritte und die Auswahl kompatibler Elektrolyte. Langfristiges Ziel ist es, eine neue Klasse von Hochleistungs-Energiespeichersystemen zu ermöglichen, die für die Integration in Elektromobilitätsplattformen geeignet sind.
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