Mit Stickstoff dotiertes Graphen, wie es Wissenschaftler am tschechischen RCPTM entwickelt haben, könnte das Elektrodenmaterial für Superkondensatoren der Zukunft sein. Die volumetrische Energiedichte erreicht 143 Wh/l bei 52 kW/l bzw. 200 Wh/l bei 2,6 kW/l.

Im Zuge der Bemühungen, den Verbrauch fossiler Energieträger zu verringern, und der zunehmenden Nachfrage nach Elektromobilität und der steigenden Zahl elektronischer Geräte wächst auch die Nachfrage nach erschwinglichen, zuverlässigen und nachhaltigen Energiespeichern. Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien diesen Bereich. Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis bieten indes eine lange Lebensdauer, ultraschnelles Laden und Entladen sowie ein hohes Maß an Sicherheit.

Dafür haben Wissenschaftler des Regional Centre of Advanced Technologies and Materials (RCPTM) des Czech Advanced Technology and Research Institute (CATRIN) in Olmütz nun mit Stickstoff angereichertes Graphen entwickelt. Dieses Material mit diamantähnlichen Bindungen und einer Massendichte von 2,8 g/cm³ ist nach Aussage der Forscher ein hervorragender Speicher für Ionen und liefert eine Energiedichte von 200 Wh/l bei einer Leistungsdichte von 2,6 kW/l bzw. 143 Wh/l bei 52 kW/l. Moderne Lithium-Ionen-Akkus haben 300 bis 400 Wh/kg. Der nächste Schritt in der Entwicklung besteht darin, gemeinsam mit internationalen Partnern Prototypen der Superkondensatoren zu erstellen.

»Wir fertigten Graphen, das mit Stickstoff dotiert ist, für den Einsatz in Superkondensatoren mit Hilfe einer Fluorgraphen-Chemie«, erklärte Michal Otyepka, der drei Förderprogramme des Europäischen Forschungsrats leitet, die sich auf die Entwicklung und potenzielle Anwendung neuer 2D-Materialien konzentrieren. Er ergänzt: »Das Material hat eine hohe Dichte, sodass es in Verbindung mit seiner Fähigkeit, Ionen aus dem Elektrolyten zu adsorbieren, eine sehr hohe volumetrische Energiedichte aufweist. Diese ist deutlich höher als bei allen zuvor beschriebenen Superkondensatormaterialien auf Kohlenstoff- oder Graphenbasis.«

»Das neue Material kann aus Graphitfluorid hergestellt werden, einem industriellen Schmiermittel, das tonnenweise auf dem Markt erhältlich ist, sodass es wirtschaftlich verfügbar ist«, fügte die Hauptautorin Veronika Šedajová hinzu, die auch Mitautorin eines kürzlich erteilten europäischen Patents ist, das den Werkstoff schützt. »Gleichzeitig achteten wir sehr darauf, das Bauteil so umweltfreundlich wie möglich zu gestalten. Dies erreichten wir durch die Wahl des Elektrolyten im Superkondensator.«

»Solche kohlenstoffbasierten Energiespeichersysteme kommen ohne Metalle aus und können daher einen wesentlichen Beitrag leisten, um die Ziele der stofflichen Nachhaltigkeit und der sauberen Energie in der Gesellschaft zu erreichen«, erklärte Aristides Bakandritsos, einer der Mitautoren der Arbeit.

V. Šedajová, et al., Nitrogen doped graphene with diamond-like bonds achieves unprecedented energy density at high power in a symmetric sustainable supercapacitor, DOI: 10.1039/D1EE02234B (Paper) Energy Environ. Sci., 2022, 15, 740-748 (Abgerufen am 01.03.2022)

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