Sina Azad vom Empa-Labor „Functional Polymers” und sein Team haben sich zum Ziel gesetzt, Superkondensatoren zu verbessern, indem sie neuartige Elektroden aus Graphen entwickeln. Dank dieser zweidimensionalen Form des Kohlenstoffs sollen die Superkondensatoren wesentlich höhere Energiedichten erreichen. Bei dem Forschungsvorhaben liegt der Fokus nicht auf Rekorden, sondern auf der Skalierbarkeit. Von Beginn an setzen die Forschenden auf Materialien und Prozesse, die sich nicht nur im Labor, sondern auch im industriellen Maßstab umsetzen lassen.
Aktuell wird meist das hochporöse Material Aktivkohle als Elektrodenmaterial verwendet. Allerdings hat Aktivkohle im Gegensatz zu Graphen nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Speicherkapazität der Elektrode senkt.
Ein weiterer Nachteil entsteht bei der Verarbeitung des Materials. In der Industrie werden die Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf flexible Folien aufgedruckt, geschnitten und zu fertigen Superkondensatoren zusammengerollt. Um die pulverförmige Aktivkohle auf ein Trägermaterial drucken zu können, muss sie mit Bindemitteln und weiteren Zusatzstoffen versetzt werden, was ihre Porosität beeinträchtigt.
Graphen zu drucken ist allerdings auch anspruchsvoll. Reines Graphen für industrielle Anwendungen wird meist aus Graphit gewonnen. Herkömmliche Methoden liefern jedoch nur eine sehr geringe Ausbeute an reinem Graphen, das zudem noch aufwändig von Abfallprodukten getrennt werden muss. Die Empa-Forschenden haben aufgrund eines vorangehenden Forschungsprojekts jedoch bereits eine Lösung entwickelt: Mit ihrem Verfahren lässt sich hochwertiges Graphen kostengünstig und effizient aus Graphit „abschälen“ und zu einer gelförmigen, druckbaren Tinte verarbeiten.
Diese Graphen-Tinte bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Herstellung von Supercap-Elektroden. Durch die Mischung zweier unterschiedlicher Graphen-Arten können die Forschenden die Größe der Poren zwischen den Graphen-Schichten gezielt beeinflussen und somit die Porengröße der Elektrode auf die Größe der Ionen im Elektrolyten abstimmen. „Dadurch steigt die Energiedichte des Superkondensators sprunghaft an“, erklärt Azad. Bei Aktivkohle ist eine derartige Kontrolle nicht möglich.
Bis zum Ende des Projekts im Jahr 2028, das im Rahmen eines gemeinsamen Programms des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der Innosuisse gefördert wird, wollen die Forschenden nicht nur die Technologie für die Elektroden entwickeln, sondern diese auch gleich herstellen und in funktionierende Prototypen von Superkondensatoren einbauen. Dafür müssen die richtigen Prozessschritte definiert, ein passender Elektrolyt gefunden und die fertigen Superkondensatoren genau charakterisiert werden.
Im Anschluss an das Projekt sollen die Kondensatoren entweder mit Industriepartnern oder über ein eigenes Spin-off auf den Markt gebracht werden. (jr)
