Interdisziplinäre Arbeit zum Thema Superkondensatoren
Insbesondere für den Einsatz in Superkondensatoren, aber auch für Batterietechnologien stellt Graphen mit seinen einzigartigen Eigenschaften ein vielversprechendes Material dar. Mit effizienten Superkondensatoren mit Graphen beschäftigten sich daher Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF, sowie das Institut für Makromolekulare Chemie MAKRO, das Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK und das Freiburger Materialforschungszentrum FMF. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit wurde durch das Pilotprojekt »G-ONET: Poröse Graphen-Organische Netzwerke für Superkondensatoren« des Leistungszentrums Nachhaltigkeit Freiburg (LZN) ins Leben gerufen. Das Ziel war die Erforschung funktioneller, mittels organischer Chemie vernetzter Graphenmaterialien zur Verwendung als Elektrodenmaterialien in Energiespeichern. Forscher des Fraunhofer IAF haben sich dabei mit der Graphenherstellung und Charakterisierung sowie mit der Bewertung der Materialien befasst. Die Forscher der Universität Freiburg waren für die Untersuchung der Vernetzung von Graphen-Flocken (MAKRO) und für die Charakterisierung der Graphenmaterialien in Superkondensatoren (IMTEK) verantwortlich.
Graphen als Elektrodenmaterial
Graphen ist die eindimensionale Form von Kohlenstoff. Seine Eigenschaften machen es zu einer für Superkondensatorelektroden gut geeigneten Komponente: Das Material ist nicht nur dünn, sondern besitzt zudem eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Dadurch kann es schnell be- und entladen werden. Außerdem besitzt es eine große Oberfläche, was eine hohe Energiedichte mit sich bringen sollte. „Wir haben das Graphen durch die Trennung von Graphitschichten erhalten“, erklärt Sarah Roscher vom Fraunhofer IAF. Um Graphenflocken von einigen wenigen Atomlagen Dicke zu erhalten, wurden Graphitflocken mithilfe eines elektrochemischen Ansatzes behandelt und die Atomlagen getrennt. Zum Einsatz kamen dabei am Fraunhofer IAF hergestellte Diamant-Elektroden.
Nach der erfolgreichen Exfoliation wurde die Qualität der Flocken untersucht und drei Eigenschaften des Materials validiert: Einerseits konnten die Forscher bestätigen, dass durch das Verfahren sehr dünne Flocken mit nicht mehr als zehn Atomlagen Dicke mit einer Ausbeute von 70 Prozent möglich sind. Weiterhin wurde erwiesen, dass die Flocken eine niedrige Defektdichte aufweisen. Zudem behielten die Flocken eine große laterale Ausdehnung bei, was beweist, dass die Methodik relativ schadenfrei ist.
Superkondensatoren als effizienter Energiespeicher
Ein Superkondensator besteht aus zwei Elektroden (positiv und negativ), die von einer für den Elektrolyt durchlässigen Membran elektrisch getrennt, gleichzeitig jedoch durch den Elektrolyt elektrochemisch miteinander verbunden sind. Um als geeignetes Elektrodenmaterial zu dienen, muss ein Material, wie beispielsweise Graphen, bestimmte Voraussetzungen besitzen. Dazu gehören eine große Oberfläche sowie eine angepasste Meso- und Mikroporosität, welche einen schnellen Elektrolyttransport und einen guten Zugang zur Elektrodenoberfläche gewährleisten sollte. Elektrischer Kontakt zwischen den Partikeln im Elektrodenmaterial und der Aspekt der Nachhaltigkeit und der Umweltfreundlichkeit der verwendeten Materialen sind weitere Faktoren.
Allerdings kann Graphen aufgrund seines starken Aggregationsverhaltens, welches eine starke Herabsetzung der Speicherkapazität bewirkt, nicht als alleinstehende Komponente in den Elektroden eingesetzt werden. Graphen wird daher mit anderen Komponenten, wie beispielsweise aktiviertem Kohlenstoff oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs), zur Vermeidung der Aggregation vermischt. Zusätzlich werden Binder wie Polytetrafluorethylen eingesetzt. Im Rahmen des G-ONET-Projekts wurden zwei Strategien verfolgt, um die Porosität der Graphenelektroden zu erhalten: Bei der ersten sollten die Graphenflocken mittels Vernetzung durch die elektroaktiven Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) Ketten eine poröse Struktur bilden. In zweitem Ansatz wurden CNTs benutzt, um die Graphenflocken auseinander zu halten. CNTs sind kommerziell erhältlich, haben jedoch eine geringe Oberfläche. Das elektroaktive Polymer PEDOT wurde anstelle von Polytetrafluorethylen eingesetzt, um den Zusammenhalt des Komposits sicherzustellen. Das PEDOT ist trotz seiner Elektroaktivität nur wenig als alleinstehendes Elektrodenmaterial geeignet, da es nur langsam ge- und entladen werden kann. Es ist jedoch ein hervorragendes Bindemittel. „Wir wollten deshalb ein CNT und Graphen-Komposit herstellen, das dennoch PEDOT als Binder benutzt“, erklärt Dr. Olena Yurchenko vom FMF. Die Forscher haben zusätzlich zu dem am Fraunhofer IAF entwickelten Graphen auch kommerziell erhältlichen Graphen (Elicarb) untersucht. CNTs und Graphen als Kohlenstoffmaterialien können unbedenklich im Restmüll entsorgt werden. Der Na2SO4 Elektrolyt und das PEDOT sind ebenfalls umweltfreundlich. Die Forscher haben weiterhin festgestellt, dass die CNT-Graphen-PEDOT Mischung eine gute Haftung am Stromabführer aufweist und eine starke Bindung zwischen den Graphenflocken besteht.
Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften Graphens
Die Materialien wurden im Superkondensator mithilfe von cyclovoltammetrischen Messungen und galvanostatischen Ladungen/Entladungen im Hinblick auf ihre elektrochemischen Eigenschaften wie Stromdichte und Speicherkapazität untersucht. Bei ersterer Methode wird der Stromverlauf abhängig von einer angelegten Spannung aufgezeichnet. Bei Letzterer wird der Superkondensator mit bestimmter Stromdichte be- und entladen. „Die aus dem Komposit bestehenden Elektroden haben eine deutlich höhere Stromdichte als die Elektroden aus ausschließlich Graphen“, erklärt Elmar Laubender, ebenfalls vom FMF. „Das heißt, dass das Komposit eine höhere Speicherkapazität hat“. Das Team hat ebenfalls entdeckt, dass nur geringfügige Ohm’sche Widerstände bei der Ladung der Komposite entstehen. Allerdings zeigte das Komposit auf Basis vom IAF-Graphen eine geringere Kapazität als das Komposit vom kommerziell verfügbaren Graphen. Der Grund dafür ist die hohe Qualität vom hergestellten Graphen, das aus großen, defektarmen Flocken besteht. Dies wiederum sorgte für die höhere Stabilität der IAF-Graphen-basierten Komposite und somit höhere Lebensdauer der betreffenden Superkondensatoren.
Superkondensator mit Graphen: System der Zukunft
Der Bedarf an dieser Technologie wird sich weiter vergrößern und dementsprechend muss die Forschung Schritt halten. Eine gewisse Herausforderung besteht jedoch, da Superkondensatoren keine konstante Spannung besitzen. Das heißt, sie wären nur in speziellen Bereichen einsetzbar und könnten nicht alle herkömmlichen Energiespeicher ersetzen, wären jedoch gut als Ergänzung beispielsweise zu Batterien geeignet. Im Bereich der Elektromobilität könnten beispielsweise Prozesse mit einem hohen Energiebedarf über eine kurze Zeitspanne, wie zum Beispiel das Bremsen und Starten, von Superkondensatoren unterstützt werden. Selbiges gilt für andere Prozesse mit Batteriegebrauch. Manche Treibersysteme der Bahn sind zum Beispiel bereits in dieser Weise aufgebaut. Superkondensatoren können durch den Einsatz von Graphen als Elektrodenmaterial effektiver und effizienter gestaltet werden und damit einen signifikanten Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit leisten.