Empa-Forscher Jakob Heier mit der Drucktinte, die hochwertiges Graphen enthält – und ist trotzdem günstig herzustellen ist. Bild: Empa

Empa-Forscher Vahid Charkhesht mit einer Graphen-Elektrode für einen Superkondensator. Bild: Empa

Von links: Sina Azad, Vahid Charkesht und Jakob Heier mit einer Elektrode aus Graphen. Die neuartigen Elektroden lassen sich im Rolle-zu-Rolle-Verfahren in industriellem Massstab herstellen. Bild: Empa

Graphen-Elektroden sollen Superkondensatoren industrietauglich machen

Publiziert

Ein Empa-Team entwickelt neuartige Superkondensatoren auf Basis von Graphen. Ziel ist nicht nur eine höhere Energiedichte, sondern auch die Skalierbarkeit für die industrielle Produktion im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.

Superkondensatoren ergänzen Batterien in vielen Anwendungen – von Elektroautos bis zu Windkraftanlagen. Während Batterien viel Energie speichern, aber langsam laden, punkten Superkondensatoren mit schneller Lade- und Entladegeschwindigkeit, allerdings geringerer Speicherkapazität. «Batterien sind wie ein grosses Gefäss mit einem schmalen Hals, das sich nur langsam füllen lässt. Superkondensatoren sind eher kleine Tassen mit einer weiten Öffnung – sie füllen sich schnell, haben aber wenig Volumen», erläutert Empa-Forscher Sina Azad.

Graphen als Gamechanger

Die Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren hängt stark von der Oberfläche und Leitfähigkeit der Elektroden ab. Heute wird meist Aktivkohle eingesetzt – mit Nachteilen bei Leitfähigkeit und Prozessierbarkeit. Graphen hingegen bietet hohe elektrische Leitfähigkeit und lässt sich gezielt strukturieren. Empa-Forschende haben ein Verfahren entwickelt, um hochwertiges Graphen kostengünstig aus Graphit «abzuschälen» und zu einer druckbaren Tinte zu verarbeiten.

Massgeschneiderte Poren

Durch die Kombination unterschiedlicher Graphen-Arten können die Porengrössen der Elektroden kontrolliert werden. «Wenn wir die Porengrösse der Elektrode auf die Grösse der Ionen im Elektrolyten abstimmen, steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an», erklärt Azad. So lassen sich deutlich höhere Kapazitäten erzielen als mit Aktivkohle.

Fit für die Massenproduktion

Das Team setzt bewusst auf Verfahren, die industriell skalierbar sind. Elektroden aus Graphen lassen sich im Rolle-zu-Rolle-Druckprozess herstellen – derselben Technologie, die in der industriellen Fertigung bereits etabliert ist. «Am Ende des Projekts wollen wir unsere Technologie auf den Markt bringen, entweder mit Industriepartnern oder über ein eigenes Spin-off», sagt Projektleiter Jakob Heier.

Perspektive bis 2028

Das Projekt läuft bis 2028 und wird im Rahmen des Förderprogramms «Bridge» unterstützt. Bis dahin sollen nicht nur die Elektroden optimiert, sondern komplette Prototypen von Superkondensatoren gebaut und getestet werden. «Wir wollen ein echtes, zuverlässiges Produkt entwickeln», resümiert Azad.

 

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Bezugsquellenverzeichnis