Von Jeremy Cook
Der Wechsel zu Quellen erneuerbarer Energie wie Sonne und Wind setzt neue Verfahren der Energiespeicherung voraus. Wolken können die Sonne tagelang verdecken, nachts ist Sonnenenergie nicht verfügbar und Wind ist eine noch unzuverlässigere Energiequelle. Mit der Speicherung von Energie können wir Zeiten überbrücken, in denen kein Strom erzeugt wird. Außerdem können Nachfragespitzen abgedeckt werden.
Moderne Lithium-Ionen-Batterien sind einerseits unglaubliche technische Lösungen, können aber andererseits nur mit einer gewissen Geschwindigkeit ge- und entladen werden. Auch ihre Lebensdauer ist begrenzt. Zudem ist die Gewinnung von Lithium aus der Erde kompliziert und bringt Umweltbelastungen mit sich. Heute hat die USA einen Anteil von weniger als 1 % an der Lithium-Weltproduktion. Das stellt einen potenziellen Engpass für die Batterieproduktion dar.
Superkondensatoren können sehr viel schneller und sehr viel häufiger als Lithium-Ionen-Batterien ge- und entladen werden und deshalb die heutigen Batteriespeicher um Funktionen für das schnelle Laden und das schnelle Abrufen von Energie ergänzen. Graphen-Batterien (oder Superkondensatoren auf Graphen-Basis) können in bestimmten Anwendungen als Alternative zu Lithium-Batterien eingesetzt werden.
Sofortige Leistung und langfristige Energieversorgung
Ein großer Vorteil der Superkondensatoren ist ihre Hochleistungsfähigkeit. Der Nachteil ist die geringe Gesamtenergiedichte. Diese Eigenschaften mögen als nebensächlich erscheinen. Bedenken Sie aber die Definition der beiden Begriffe:
Leistung = Arbeit/Zeit, ausgedrückt in der SI-Einheit Joules/Sekunde
Energiedichte = gespeicherte Energie/Volumen, ausgedrückt in der SI-Einheit Joules/m³
Auch wenn die Einheit im Zähler identisch ist, handelt es sich doch um zwei unterschiedliche Werte Leistung bezeichnet die Möglichkeit, eine Energiemenge in einem bestimmten Zeitraum freizusetzen. Energiedichte andererseits bezeichnet die Möglichkeit, eine bestimmte Menge Energie unabhängig vom Zeitraum zu speichern.
Ideal wären hohe Werte für beide Faktoren. Superkondensatoren haben aber normalerweise eine hohe Entladekapazität bei geringer Energiedichte. Ein Superkondensator kann also einen massiven Energieausstoß für kurze Zeit erzeugen, aber weder diese noch eine niedrigere Ausstoßrate auch nur annähernd so lang wie eine vergleichbare Lithium-Ionen-Batterie aufrechterhalten. Moderne Anwendungen nutzen häufig einen Superkondensator, um hohe Energiezufuhr oder -freisetzung (z. B. beim regenerativen Bremsen und bei schneller Beschleunigung) zu ermöglichen, während der langfristigere Energiebedarf über eine Batterie gedeckt wird.
Die Herausforderung besteht also darin, die Energiedichte der Superkondensatoren zu erhöhen, ohne die hervorragende Momentan-Energiekapazität zu beeinträchtigen. Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist das Wundermaterial Graphen.
Ist Graphen der Energiespeicher der Zukunft?
Superkondensatoren nutzen typischerweise Anoden- und Kathodenschichten aus Metallfolien, die mit Aktivkohle beschichtet und durch eine semipermeable Membran mit einer Elektrolytlösung voneinander getrennt sind. Lagen aus diesem Aktivkohle/Membran-Sandwich werden in einem Kondensatorgehäuse aufgerollt oder gestapelt, sodass Ladungen mittels Ionenbewegung im Elektrolyt gespeichert werden können.
Verfasser: Von Tosaka – eigene Arbeit, CC BY 3.0 | Schemadarstellung eines Superkondensators mit gestapelten Elektroden 1. Positive Elektrode, 2. Negative Elektrode, 3. Separator
Aktivkohle kann in dieser Funktion sehr dünn gehalten werden. Trotz einer Stärke von nur 1/10 mm ergibt sich eine große Oberfläche: Jedes 0,1-mm-Partikel hat eine Oberfläche von etlichen Quadratzentimetern. Graphen liegt jedoch in Lagen aus 2D-Molekülen vor, die eine Stärke von einem Atom und eine der Aktivkohle ähnliche Oberfläche aufweisen. Für eine Leiteranordnung mit höchster Dichte kann es als extrem dünne Schicht eingesetzt werden. Graphen ist ein hervorragender Leiter mit minimalen Wärmeverlusten und einer potenziell noch besseren Energieabgabe als Aktivkohle-Superkondensatoren.
Das Problem besteht in der Fertigung von Graphen-Kondensatoren in praxisgerechter Größenordnung. Angesichts der vielversprechenden Eigenschaften von Graphen arbeiten jedoch viele Forscher hinter verschlossenen Türen an diesem Problem. Graphen wird Lithium-Ionen-Batterien wahrscheinlich nicht vollständig ersetzen können. Verbesserungen bei Superkondensatoren mit Graphen können aber Energiedichte und Effizienz dieser Energiespeichervorrichtung erhöhen.
Andere fortschrittliche Speicheroptionen ... wieder Kohlenstoff?
Graphen repräsentiert nicht das einzige Verfahren moderner Energiespeicherung, das sich in der Entwicklung befindet. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren – bei diesen wird Kohlenstoff im Unterschied zu den Lagen beim Graphen in langen röhrenförmigen Molekülen angeordnet – als Energiespeicher wird ebenfalls untersucht. Weitere Möglichkeiten für Energiespeicher auf Kohlenstoffbasis bieten Graphen-Balls und gekrümmtes/Crumpled Graphen.
Handhabung der Leistung
Grundsätzlich ist die Möglichkeit einer massiven Energieabgabe gut. Diese muss aber kontrolliert erfolgen, um die Energie sachgemäß nutzen zu können. SiC-Transistoren können für diese Funktion genutzt werden. Zudem müssen Technologien zur Strommessung implementiert werden, um die sachgemäße Nutzung von Leistung und Energie sicherzustellen.
Interessanterweise scheint die fortschrittliche Produktion von Kohlenstoff in den verschiedenen Formen zusammen mit Silizium (und die Kombination dieser beiden Materialien) Zukunftstrend für die Handhabung von Energie zu werden. Die Schwierigkeit besteht derzeit darin, Ideen, die in der Theorie und/oder in kleinem Maßstab funktionieren, in Alltagsprodukten umzusetzen, die unser Leben bereichern. Sobald diese Techniken perfektioniert wurden und implementiert werden können, wird die Zukunft energieeffizienter werden und noch leistungsfähigere Geräte bereithalten.
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