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Energiehybrid: Batterie trifft Superkondensator

Forscher der Universitäten Montpellier und Bordeaux und der TU Graz zeigen in Nature Materials, dass sich die Energiedichte von Batterien dank flüssigem Ladungsspeicher mit der Leistung von Superkondensatoren in ein System vereinen lässt.

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

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.

Eine Forschergruppe unter der Leitung von Olivier Fontaine von der südfranzösischen Université de Montpellier in Zusammenarbeit mit einem Forscher der Universität Bordeaux und Stefan Freunberger von der TU Graz stellte sich gemeinsam 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.

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 die Forscher entwickelt haben,  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 der Wissenschafter 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. „Das 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.

Information

Nature Materials | doi:10.1038/nmat4808
„Biredox ionic liquids with solid-like redox density in the liquid state for high-energy supercapacitors”
zur Originalpublikation auf nature.com

Stefan Freunberger wurde 2014 ein ERC Starting Grant zuerkannt, wie in der Pressemitteilung der TU Graz nachzulesen.

Kontakt

Stefan FREUNBERGER
Dipl.-Ing. Dr.sc.ETH
Institut für Chemische Technologie von Materialien
Stremayrgasse 9, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 32284
E-Mail: freunbergernoSpam@tugraz.at