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Upscaling of fluorographene chemistry for supercapacitor electrode material

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Neues Graphen-Derivat für höhere Speicherkapazität bei Superkondensatoren

Die skalierbare Erzeugung eines neuen Graphen-Derivats soll die Entwicklung von Superkondensatoren voranbringen, die eine ähnlich hohe Speicherkapazität wie Batterien haben, aber deutlich schneller ge- und entladen werden können.

Energie

Im Zuge der weltweiten Energiewende weg von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energieträgern ist die Energiespeicherung eine der größten Herausforderungen. Eine mögliche Lösung sind Superkondensatoren. Wie das Fachmagazin ScienceDirect beschreibt, sind Superkondensatoren „elektrochemische Energiespeicher, die Energie speichern und freisetzen. Ihr Prinzip beruht auf der reversiblen Adsorption und Desorption von Ionen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt.“ Superkondensatoren haben eine deutlich längere Lebensdauer als andere Energiespeicher, etwa Batterien. Verglichen mit den in der Regel 2 000 bis 3 000 Lade-/Entladezyklen bei Batterien leisten Superkondensatoren mehr als eine Million Schnellladungen, was sie wesentlich material- und kosteneffizienter macht. Trotz des schnelleren Ladens und Entladens ist die Speicherkapazität von Superkondensatoren aber noch längst nicht mit der von Batterien vergleichbar. Dies soll sich nun ändern, und zwar mit einem neuen, vom EU-finanzierten Projekt UP2DCHEM entwickelten Graphen-Derivat. „Wenn man Aktivkohle durch das innovative Graphen-Derivat ersetzt, könnten Superkondensatoren erzeugt werden, die bei gleich schneller Lade- und Entladefähigkeit eine ähnlich hohe Speicherkapazität wie Batterien haben“, erklärt Michal Otyepka, Leiter der Entwicklungsabteilung für Nanomaterialien am Tschechischen Forschungszentrum für Spitzentechnologien der Palacký-Universität Olomouc, Tschechien, die UP2DCHEM koordiniert.

Skalierung der Produktion

Graphen ist eine dünne Schicht reinen Kohlenstoffs, die in einer hexagonalen Wabenstruktur dicht gepackt ist. „Dieses „Wundermaterial“ besitzt viele erstaunliche Eigenschaften und ist etwa das dünnste bekannte Material mit der bislang höchsten Leitfähigkeit“, wie die Informationsplattform Graphene-info berichtet. „Es zeichnet sich durch hervorragende Festigkeit und Lichtabsorption aus und ist auch umweltfreundlich und nachhaltig.“ Und genau diese Materialeigenschaften machen es für Otyepka so interessant. In einem früheren Projekt entwickelte Otyepka mehrere neue Funktionsmaterialien aus Graphen, eines davon mit sehr vielversprechenden experimentellen Laborergebnissen. Schwerpunkt des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts UP2DCHEM war die Hochskalierung der Produktion von Milli- auf Kilogramm und die Validierung seiner Nutzung zur Energiespeicherung. „Bei Tests im Labor arbeiten wir in der Regel mit eher kleinen Proben, meist unter einem Gramm“, erläutert Otyepka. „Für die kommerzielle Herstellung von Geräteprototypen werden jedoch deutlich höhere Größenordnungen benötigt, d. h. mindestens ein halbes Kilogramm.“ Trotzdem erwies sich die Hochskalierung der Produktion als unerwartet schwierig, da zur Herstellung ein spezifisches Reaktionsgas benötigt wird. „So mussten wir lange nach einem Unternehmen suchen, das an einem solch potenziell ‚explosiven‘ Projekt mitarbeiten wollte“, fügt Otyepka hinzu. Letztlich erklärte sich aber ein Unternehmen bereit, die Herstellung in den benötigten Mengen zu übernehmen und zu gewährleisten, dass das Material auch bei diesen Bedingungen und Mengen seine Eigenschaften beibehält. Auf dieser Basis konnte Otyepka die Synthese optimieren und damit den Weg für die Entwicklung solcher Superkondensatoren und weitere Forschungen in diesem Bereich frei machen. „Jetzt können wir unsere Forschung darauf konzentrieren, aus den neuen Materialien Geräte herzustellen, die künftig die steigende Nachfrage nach zuverlässiger, preiswerter und nachhaltiger Energieerzeugung decken können“, schließt Otyepka. Derzeit entwickeln die Forschenden zusammen mit mehreren Unternehmen und Hochschulen Prototypen für Graphen-Superkondensatoren.

Schlüsselbegriffe

UP2DCHEM, Graphen, Superkondensator, Energiespeicher, Batterie, Batterien, Laden, nachhaltige Energie

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31 März 2021