Wer sein Elektroauto heutzutage an eine Ladesäule ansteckt, lädt den Strom in einen Akku – aber das muss nicht für immer so bleiben. Denn neben Batterien, wo Elektrizität in chemischer Form gespeichert wird, gibt es auch andere Möglichkeiten, Strom zu speichern. Da wäre etwa der Kondensator, ein Bauteil, das Energie als elektrisches Feld speichert und von dem jährlich hunderte Millionen Stück jährlich produziert werden. Den Weg ins E-Auto hat der Kondensator aber noch nicht gefunden.

Das könnte sich in Zukunft ändern. Eine Forschergruppe an der Technischen Universität München experimentiert mit sogenannten Superkondensatoren als Alternative zu Batterien. Anders als Batterien lassen sich in Kondensatoren sehr schnell große Energiemengen speichern und wieder abgeben.

Momentan zu groß und schwer

Nur bei der Energiedichte können sie nicht mit Akkus mithalten. Pro Kilogramm speichern Kondensatoren etwa nur ein Zehntel des Stroms, den Lithium-Akkus schaffen. Das macht den Einsatz in Autos, wo jedes Kilo zählt, unpraktikabel.

Das Team rund um den Forscher Roland Fischer an der TU München hat nun ein neuartiges Graphen-Hybridmaterial entwickelt, das die Leistung von Superkondensatoren erheblich steigern soll. Das Geheimnis liegt laut den Forschern in einer Kombination verschiedener Materialien: Sie kombinierten das Graphen-Material, das als positive Elektrode dient, mit einer negativen Elektrode aus den bewährten Materialien Titan und Kohlenstoff.

Anlehnung an die Natur

"Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiele dafür. Ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert", sagt Roland Fischer in einer Aussendung der TU München. Dieses Konzept aus der Natur haben die Forscher nun auf die Superkondensatoren übertragen. Dank des Nanomaterials Graphen lässt sich die Oberfläche vergrößern – und so mehr Energie speichern.

Der von den Forschern entwickelte Kondensator soll 73 Wattstunden pro Kilogramm schaffen, was etwa der Energiedichte einer Nickel-Metallhydrid-Akkus entspricht. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien können rund 200 Wattstunden pro Kilogramm speichern, nach Angaben des Fraunhofer-Instituts ISI könnte sich die Energiedichte bis 2030 nochmal verdoppeln. Die Latte für Superkondensatoren liegt also hoch.

10.000 Zyklen möglich

Ein weiterer Vorteil liegt laut den Forschern in der Haltbarkeit. Während typische Lithium-Akkus, wie sie aktuell in E-Autos verbaut werden, rund 3.000 bis 5.000 Ladezyklen aushalten, soll der Superkondensator der TU München nach 10.000 Zyklen immer noch fast 90 Prozent der Kapazität behalten.

In einigen Nischen werden Kondensatoren in Fahrzeugen bereits eingesetzt. In Shanghai fahren etwa schon seit Jahren Busse, die an Haltestellen während des Ein- und Aussteigens aufgeladen werden. Die niedrige Energiedichte der Kondensatoren ist dort vernachlässigbar: Schließlich wartet an der nächsten Haltestelle schon die nächste Ladestation. (red, 19.4.2021)