Forscher der TU Graz zeigt in Nature Materials, dass sich die hohe Energiedichte von Batterien dank flüssigem Ladungsspeicher mit der hohen Leistung von Superkondensatoren in ein System vereinen lässt. Batterien und Superkondensatoren: Die beiden elektrochemischen Energiespeicher sind wie Tag und Nacht. Beide speichern Energie, und beide geben sie gezielt wieder frei – das allerdings mit großen Unterschieden: Batterien speichern sehr große Energiemengen, die sie langsam, aber beständig wieder abgeben. Superkondensatoren können nur geringe Energiemengen speichern, geben diese Energie aber viel leistungsstärker ab und erzielen kurzzeitige Spitzenleistungen.

Stefan Freunberger von der TU Graz stellte sich gemeinsam mit einer Forschergruppe der südfranzösischen Université de Montpellier einem Gedankenblitz: Wieso nicht die Vorteile von Batterien und Superkondensatoren gleichzeitig nutzen und in einer Art Energiehybrid vereinen? In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Nature Materials stellt die Gruppe ihren Ansatz vor und beschreibt in der vom Europäischen Forschungsrat (ERC) unterstützten Arbeit erstmals ein flüssiges Ladungsspeichermaterial, das ähnlich hohe Energiedichte wie Batterien aufweist, dabei aber so hohe Leistungen wie ein Superkondensator erzielt.

Nach Stationen in Zürich, Kanada und Schottland erforscht der ERC Starting Grant-Träger Stefan Freunberger an der TU Graz neue Energiespeichersysteme.  © Lunghammer - TU GrazNach Stationen in Zürich, Kanada und Schottland erforscht der ERC Starting Grant-Träger Stefan Freunberger an der TU Graz neue Energiespeichersysteme. © Lunghammer - TU Graz

Ionen mit Bewegungsdrang

„Der Grund, warum Batterien Energie so langsam abgeben und lange Ladezeiten haben, sind die festen Ladungsspeicher, in denen sich die Ionen schwer bewegen können. In Superkondensatoren bewegen sich die Ionen hingegen in Flüssigkeiten, sind also viel beweglicher als in Festkörpern“, erklärt Stefan Freunberger vom Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz. Die neuartige redoxaktive ionische Flüssigkeit, die Freunberger mit den französischen Kolleginnen und Kollegen entwickelt hat, besteht aus einem organischen Salz, das bei einer Temperatur von knapp 30 Grad Celsius, also leicht über Raumtemperatur, flüssig ist. Diese Flüssigkeit kann ähnlich wie ein Festkörperspeicher viele Ionen einspeichern, erlaubt den Ionen aber viel bessere Beweglichkeit.

Von Straßenbahntüren und Elektroautos

Der Gedankenblitz von Freunberger und Co. führte zu einem ersten Ansatz eines integrierten Energieliefersystems für beständige Energieversorgung mit hoher Leistung. In einigen Fällen braucht es nach wie vor ein Entweder-oder: Automatische Türen, etwa in Straßenbahnen oder Zügen, sind eindeutig ein Fall für Superkondensatoren. Energie wird nur ganz kurze Zeit gebraucht, dafür mit hoher Leistung. In anderen Fällen sind Batterien das Mittel der Wahl. „Unser Prinzip des Energiehybrids kann aber beispielsweise für den Einsatz in Elektroautos enorme Vorteile bringen. Bislang finden sich in E-Autos oft verschiedene Batterietypen oder Batteriesysteme gemeinsam mit Superkondensatoren. Ein einziges System mit den Vorteilen beider Energiespeicher könnte Platz und Ressourcen sparen“, sagt Freunberger.

Dieser Forschungsbereich ist an der TU Graz im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern.

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4808.html Zur Originalpublikation in Nature Materials (doi:10.1038/nmat4808)

Anmelden