Aktivkohle für die Energiewende

Elektrische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, speichern elektrische Energie durch physikalische Ionenelektrosorption. Bild: Volker Presser, INM
Elektrische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, speichern elektrische Energie durch physikalische Ionenelektrosorption. Bild: Volker Presser, INM

Volker Presser hat die Juniorprofessur für Nanotechnologie funktionaler Energiespeichermaterialien an der Universität des Saarlandes inne und forscht am INM – Leibniz Institut für Neue Materialien. Im Interview erklärt er, wie sein Forschungsteam winzig kleine Kohleporen vermisst und damit Superkondensatoren für die Energiewende startklar macht.

wissenschaft.de: Sie arbeiten mit Superkondensatoren. Was ist das?

Volker Presser: Superkondensatoren, oder wie wir sagen „Supercaps", sind Energiespeicher. Sie sind schon heute im Einsatz, zum Beispiel im Handyblitz, in Hybridautos und in Türöffnern. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien speichern sie nur ungefähr ein Zehntel der Energie, allerdings geht das zehnmal schneller.

Wie funktioniert so ein Superkondensator?

Wir arbeiten vor allem mit nanoskaligen Kohlenstoff- und Kohlenstoffhybridmaterialien. In Supercaps wird Energie durch Ionen-Elektrosorption gespeichert, also die Anlagerung von Ionen an der elektrisch geladenen Grenzfläche zwischen einem Elektrolyt und Elektrode. Für das Elektrodenmaterial ist eine sehr hohe, einstellbare Oberfläche wichtig. Das kann zum Beispiel mit Aktivkohle realisiert werden. Wir wollen die Speicherkapazität der Supercaps noch erhöhen, indem wir Hybridmaterialien einsetzen, also Kohlenstoffe mit Metalloxiden, Polymeren oder organischen Gruppen. Die sind zusätzlich zum elektrosorptiven Mechanismus auch noch redox aktiv.

Also eine Mischung aus Superkondensator und klassischer Batterie?

Richtig, der typische Superkondensator speichert nur elektrosorptiv, der klassische Akku ist nur redox aktiv, und wir beschäftigen uns mit der goldenen Mitte.

Warum sind Kohlenstoffe dafür die richtige Wahl?

Wir brauchen möglichst große Oberflächen mit Poren, in die Ionen eintreten können. Wenn die Poren zu groß sind, verringert sich die Oberfläche, und wenn sie zu klein sind, können die Ionen nicht mehr passieren. Unsere typischen Poren sind kleiner als ein Nanometer. Dafür ist Aktivkohle geeignet. Bei den Hybridmaterialien müssen wir aufpassen, dass wir die Poren nicht verstopfen. Dort wählen wir dementsprechend größere Porengrößen.

Wie überprüfen Sie diese winzigen Porengrößen im Nanometerbereich?

Wir verwenden unterschiedliche in-situ-Methoden. Das heißt, wir sehen in das Material hinein und untersuchen vor Ort, was passiert. Wenn wir einen Superkondensator laden und entladen, messen wir normalerweise nur die Ladung. Das sagt aber noch nichts über den Speichermechanismus, wie viele Ionen in einer Pore sind und wie schnell sie da rein- und rausgehen. Mit der in-situ-Methode können wir den Ionen folgen, in die Poren hineinblicken, und zwar während des Ladens und Entladens.

Wie funktioniert das?

Wir nehmen einen normalen Superkondensator und durchleuchten ihn beim Laden und Entladen mit hochenergetischer Röntgenstrahlung in einem Synchrotron. Diese Strahlung interagiert mit der Elektronendichteverteilung und aus dem winkelabhängigen Signal berechnen wir, an welcher Stelle wie viele Ionen in die Elektrode eingetreten sind.

Welche neuen Anwendungen könnten sich daraus ergeben?

Die Anwendungen, die es schon gibt, wollen wir schneller, energiereicher, langlebiger und umweltfreundlicher machen. Aber Supercaps sollen an manchen Stellen auch Batterien ersetzen. Und zwar überall da, wo Batterien wegen ihrer kurzen Lebensdauer und Langsamkeit nicht so gut geeignet sind.

Wo könnten Supercaps für die Energiewende wichtig werden?

Im Bereich der Elektromobilität etwa bei Start-Stop-Automatiken oder bei schnellladenden Energiespeichern in Kombination mit Photovoltaik, um die Lebensdauern dieser Systeme zu erhöhen.

Das Gespräch führte Felix Austen.

Weitere Infos zum Thema sowie spannende Bilder dazu finden Sie in unserer Bildergalerie.

 

Volker Presser
leitet seit 2012 die Juniorforschungsgruppe "Energie-Matierialien" Am Leibniz-Institut für Neue Materialien. Seit 2013 ist er außerdem Junior-Professor der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III an der Universität des Saarlandes. Presser wurde 1982 in Immenstadt im Allgäu geboren und promovierte im Jahr 2009 an der Eberhard Karls Universität Tübingen im Bereich Angewandte Mineralogie.

 

 

 

Bild: INM/ Uwe Bellhäuser

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