UMWELTnanoTECH

UMWELTVERTRäGLICHE ANWENDUNGEN DER NANOTECHNOLOGIE

9 Ultraschnelle elektrische Speicher auf Basis von Nanodiamantkompositen

Arbeitsfeld:

Die Bereitstellung von elektrischen Energiespeichern, die auch bei Lade- und Entladevorgängen im Sekunden- und Subsekundenbereich eine hohe Energiedichte aufweisen, ist eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung einer Infrastruktur, die die effiziente Nutzung erneuerbarer elektrischer Energiequellen ermöglicht.

Bisher werden für die Speicherung elektrischer Energie in mobilen Anwendungen, wie Elektrofahrzeugen, in der Regel Batterien bzw. Akkumulatoren (z.B. auf Basis von Lithiumionen) verwendet. Diese besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen. Dazu gehören die extrem geringe Zyklenfestigkeit sowie die bisher stark eingeschränkte Leistungsdichte, die dazu führt, dass bei schnellem Laden/Entladen nur ein kleiner Bruchteil des Speichers tatsächlich genutzt werden kann.

Neben den Batterien spielen im Bereich der hocheffizienten Energiespeicher Superkondensatoren eine herausragende Rolle, da sie in Bezug auf Zyklenfestigkeit und Leistungsdichte den Akkumulatoren deutlich überlegen sind. Aktuell sind Superkondensatoren auf der Basis von Aktivkohle-Elektroden mit einem Wirkungsgrad von 90-98 %, Energiedichten bis ca. 6 Wh/kg und Speichergrößen von bis zu 52 kWh in Anlagen verfügbar. Gegenüber Li-Ionen-Speichern besitzen Superkondensatoren allerdings eine um 1 bis 2 Größenordnungen geringere Energiedichte, so dass aktuell noch große Volumina für die Speicherung vergleichbarer Energiemengen bereitgestellt werden müssen.

Ziel dieses Projekt ist deshalb die Entwicklung von neuartigen Elektroden für Superkondensatoren mit hoher Leistungs- und Energiedichte. Zu diesem Zweck sollen, ausgehend von Nanodiamanten, die in großen Mengen aus organischen Vorstufen kostengünstig hergestellt werden können, Kompositelektroden hergestellt und erforscht werden; bei Kombination mit einem geeigneten Elektrolyten lassen sich damit die Leistungsparameter für Superkondensatoren und damit deren Anwendungsgebiete signifikant erweitern.

Erste Ergebnisse mit modifizierten Nanodiamantmaterialien zeigen einen guten Einbau in bereits verfügbare Matrixmaterialien und ermöglichen nun die intensive Charakterisierung und Optimierung dieser Kompositmaterialien. Durch die neuartige Nanodiamant-basierte Elektrode soll die Leistungsdichte um eine Größenordnung und die effektive volumetrische Energiedichte der Speicherkomponente bei hohen Ladegeschwindigkeiten um den Faktor vier erhöht werden. Dadurch sollen insbesondere Lücken im Bereich der Kenndaten verfügbarer elektrischer Speicher geschlossen werden, um spezifische Anwendungen besser bedienen zu können. Dazu gehört u.a. der Bereich der Speicherung von Bremsenergie (z.B. im Nahverkehr). Daneben werden bei der Nutzung der Windkraft (Schlupfregelung, Regelung der Rotorblattausrichtung) neue Einsatzgebiete erschlossen. In einigen Anwendungen könnten diese neuen Speicher auch Lithiumionen-Speicher ersetzen, insbesondere bei moderaten Anforderungen an die Speicherdichte und Selbstentladung einerseits und gleichzeitig hoher Zyklenstabilität bzw. Langlebigkeit.