Wissenschaftler haben eine neuartige Form von Graphen entwickelt – das sogenannte multiskalenreduzierte Graphenoxid (M-rGO) – das die Energie- und Leistungsdichte in Superkondensatoren drastisch verbessert. Dieser Durchbruch könnte die Entwicklung schneller aufladbarer Energiespeicher mit höherer Kapazität für Elektrofahrzeuge (EVs), tragbare Elektronikgeräte und mehr beschleunigen.
Die Grenzen der aktuellen Speichertechnologie
Herkömmliche Batterien speichern Energie chemisch, während Superkondensatoren sie elektrochemisch speichern. Dies bietet Vorteile sowohl hinsichtlich der Menge an Energie, die sie in einem bestimmten Raum speichern können (Energiedichte), als auch hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der sie sie abgeben können (Leistungsdichte). Aktuelle Superkondensatoren haben jedoch in der Vergangenheit aufgrund von Ineffizienzen bei der Begrenzung der Energiespeicherung durch die Struktur von Graphen eine unterdurchschnittliche Leistung erbracht. Graphen ist zwar ideal für dichte Elektroden, neigt aber dazu, zusammenzuklumpen, was die Bewegung der zum Laden und Entladen erforderlichen Ionen einschränkt.
Ein neuer Ansatz: Multiskalenreduziertes Graphenoxid (M-rGO)
Forscher lösten dieses Problem durch die Entwicklung von M-rGO, einem Graphenmaterial, das durch einen zweistufigen Erhitzungsprozess hergestellt wird. Die resultierende Struktur ist verworren und gebogen, wodurch ein Netzwerk mit mehreren Ebenen entsteht, das die Oberfläche für die Energiespeicherung maximiert, ohne die Ionenmobilität zu beeinträchtigen. Dieser Ansatz umgeht die Nachteile früherer 3D-Graphenstrukturen, die oft sperrig und ineffizient waren.
Auswirkungen auf Elektrofahrzeuge und darüber hinaus
Die möglichen Anwendungen von M-rGO sind vielfältig:
- Elektrofahrzeuge: Schnellere Ladezeiten und größere Reichweite.
- Tragbare Elektronik: Kleinere, leistungsstärkere Akkus für Smartphones, Laptops und Tablets.
- Drohnen und Wearables: Verbesserte Leistungsabgabe in kompakten Formfaktoren.
Das Forschungsteam integrierte M-rGO in Pouch-Zellen – flexible, laminierte Batteriepacks, die in modernen Geräten üblich sind. Dies zeigt die Praktikabilität und Skalierbarkeit des Materials, da Graphit (der Rohstoff) reichlich vorhanden und kostengünstig ist.
„Dieses Material könnte unsere Herangehensweise an die Energiespeicherung grundlegend verändern und Hochleistungs-Superkondensatoren in einem breiteren Anwendungsspektrum zu einer praktikablen Alternative zu herkömmlichen Batterien machen.“
Die am 15. September in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, dass M-rGO das Potenzial hat, die vollen Möglichkeiten der graphenbasierten Energiespeicherung zu erschließen. Diese Entwicklung ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Geräte schneller aufgeladen werden, länger halten und weniger sperrige Hardware erfordern.
