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ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (XVII)

Superkondensator (SuperCap)


Das Thema der Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren (Supercapacitors, SC) wird auf Wikipedia ausführlich und gut strukturiert dargestellt, so daß es im Grunde nicht nötig ist, auch hier näher auf die technischen Details und die diversen Unterteilungen einzugehen. Statt dessen soll eine Chronologie der Entwicklung aufzeigen, wer wann und wo was gemacht hat. Ich werde daher im Folgenden nur den originalen Text von 2007 aktualisieren und anschließend die wichtigsten weiteren Entwicklungsschritte zusammenfassen.

Superkondensatoren mit Elektronik zur Zellsymmetierung

Superkondensatoren mit
Elektronik zur Zellsymmetierung

Ein Doppelschichtkondensator (auch: Pseudokondensator) besteht aus im Grunde aus zwei Elektroden mit großer Grundfläche, die in eine dünne Elektrolytschicht eingetaucht sind. Die Energie wird wie bei klassischen Kondensatoren im elektrischen Feld gespeichert. Dabei handelt es sich um ein elektrostatisches Prinzip - und nicht um einen chemischen oder elektrochemischen Vorgang. Trotzdem werden die Superkondensatoren oftmals auch elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) genannt.

Das elektrische Feld wird zwischen einer porösen Kohlenstoffelektrode mit hoher innerer Oberfläche und in einem Elektrolyten gelösten Ionen gebildet, die sich bei Anlegen einer Spannung (zum Laden) in Form mehrerer Moleküllagen an der Elektrodenoberfläche anlagern. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Kapazität, mit der bei Nennspannungen um 2,5 V etwa 5 Wh pro Kilogramm oder Liter gespeichert werden können. Gleichzeitig können Leistungen bis zu 15.000 W/kg oder l aufgenommen bzw. abgegeben werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist, daß der Lade- und Entladeprozess ein reiner physikalischer Vorgang ist, der nicht zu einer Veränderung der Elektrodenstrukturen führt. Deshalb können Doppelschichtkondensatoren eine sehr große Zahl von Zyklen bewältigen (> 500.000 Zyklen bei 20°C). Auch die Gefahr einer Zerstörung durch Tiefentladung – wie bei anderen Speichermedien – ist ausgeschlossen.

Die ersten Experimente werden in den frühen 1950er Jahren bei General Electric durchgeführt, das erste Patent datiert aus dem Jahr 1957 (US-Nr. 2.800.616). Weitere Patente werden 1966 und 1970 der Firma Standard Oil of Ohio erteilt (US-Nr. 3.288.641 und 3.536.963). In allen diesen Fällen wurde die wahre Natur der Energiespeicherung nicht benannt. Standard Oil lizenziert die Technik 1971 an NEC TOKIN, welche sie unter dem Begriff Supercapacitor (SuperCaps) vermarktet. Weitere Hersteller sind Panasonic (Goldcaps, 1978) und ELNA (DynaCap, 1987).

Brian Evans Conway betreibt zwischen 1975 und 1980 an der University of Ottawa Grundlagenforschung über Redox-Prozesse mit pseudokapazitivem Verhalten an dotierten Ruthenium(IV)-oxid-Elektroden. Es dauert allerdings bis 1991, bis er den elektrochemischen Unterschied zwischen Kondensatoren und Akkumulatoren beschreibt. Den Begriff Superkondensator prägt er sogar erst 1999.

Derweil werden in den 1980er Jahren deutliche Verbesserungen an den Materialien der Kondensatoren durchgeführt. Der erste Superkondensator mit niedrigem Innenwiderstand für Leistungsanwendungen wird 1982 durch das Pinnacle Research Institute (PRI) in Los Gatos entwickelt und unter dem Namen ,PRI Ultracapacitor’ am Markt etabliert – für militärische Anwendungen. Die hier geschaffenen Bauteile bestehen aus einer Art metallischem Schwamm, dessen Oberfläche bei gleichem Volumen sehr viel größer ist als die der Metallfolien bei herkömmlichen Kondensatoren.

Das Speichersystem soll ursprünglich dazu dienen, hohe Spannungen für satellitengestützte Laserkanonen des SDI-Projektes (Strategische Verteidigungsinitiative o. ,Star-Wars-Programm’) zur Verfügung zu stellen.

Im Jahre 1992 übernehmen die Maxwell Laboratories (heute: Maxwell Technologies Inc.) die aus der Entwicklung von PRI hervorgegangenen BoostCaps und vermarkten sie als Ultrakondensatoren für Leistungsanwendungen. Ihre Kapazität liegt rund 100.000 mal höher als bei herkömmlichen Kondensatoren (s.u.)

1994 gelingt es David A. Evans mit seinen für 200 V ausgelegten ,Elektrolytischen-Elektrochemischen Hybrid-Kondensatoren’ (später als Capattery bekannt) die Spannungsfestigkeit elektrochemischer Kondensatoren zu erhöhen, indem er eine Anode aus einem Tantal-Elektrolytkondensator verwendet, die den Energieinhalt bei gleicher Baugröße um etwa Faktor 5 erhöht. Diese Kondensatoren sind allerdings so teuer, daß sie bislang nur in sehr speziellen militärischen Anwendungen eingesetzt werden.

Die 1999 in der Region Tampa Bay in Florida gegründete Dais Analytic Corp. (später in West Pasco Industrial Park, Odessa) ist eine Firma für Nanotechnologie-Polymer-Materialien und -Prozesse, die als eines von drei Standbeinen die Entwicklung eines Ultrakondensators namens NanoCap betreibt. Richtig aktiviert wird dieser Bereich allerdings erst 2010, als das Unternehmen ein Abkommen mit der University of Florida schließt, wo unter der Leitung von Prof. Saeed Moghaddam in den nächsten 12 Monaten eine Prototyp-Batterie entwickelt werden soll, die auf einer High-Tech-Kunststoffmembran von Dais basiert.

Auf der Homepage der Firma wird 2014 allerdings immer noch von ersten Tests gesprochen, die zeigen, daß NanoCaps die dreifache Speicherfähigkeit der besten heutigen Lithium-Ionen-Batterien erreicht und dabei ein Speicherpotential zeigt, das der Energiedichte von Benzin entspricht. Inzwischen wird mit dem globalen Forschungs- und Entwicklungszentrum von General Electric kooperiert.

Zwischenzeitlich haben sich die Prioritäten geändert, und die modernen Kondensatoren sollen nun Elektroautos jene Stromspitzen liefern, die beim Anfahren oder bei starker Beschleunigung nötig sind, was die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie um das 400fache verlängert soll. Die Energiedichte wird nun mit 5 – 20 kWh/kg angegeben, wobei Leistungen bis 10 kW erreichbar sind. Die Lebensdauer-Zyklenzahl beträgt ca. 1 Million, während die Energieeffizienz bei rund 95 % liegt. Die Kosten belaufen sich auf 10 – 20 T€/kWh Speicherkapazität.

Der hohe Preis schreckt aber nicht ab, denn SuperCaps können binnen drei bis fünf Minuten geladen werden – und liefern während kurzer Zeit auch sehr viel Energie. Und da keine chemischen Vorgänge stattfinden, gibt es auch nicht die Abnutzungserscheinungen, die man von herkömmlichen Akkus kennt.


Evans Capbattery

Evans Capbattery

Die vermutlich im Jahr 2001 von David Evans gegründete Firma Evans Capacitor Co. in East Providence, Rhode Island, ist ein Spezialist für Superkondensatoren mit hoher Energiedichte, bei denen Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer und Leistung im Vordergrund stehen – da sie in erster Linie in der Verteidigung und Raumfahrt zum Einsatz kommen.

Neben US-Militärfahrzeugen einschließlich Flugzeugen werden die Produkte der Firma, Hybrid-Elektrolyt-Elektrochemische Kondensatoren, Hybrid-Module sowie die sogenannten Capattery-Kondensatoren, auch an Bord des Space Shuttle, auf der Internationalen Raumstation ISS sowie im Boeing 787 ,Dreamliner’ installiert.

Auf den Homepage des Unternehmens werden zwar alle technischen Spezifikationen der Produkte aufgelistet, Preise oder gar Informationen über produzierte Quantitäten und Geschäftsabschlüsse gibt es dagegen keine.


Eine weitere Firma, die Superkondensatoren herstellt, ist die 2001 von Richard D. Weir, Carl Nelson und Richard S. Weir gegründete EEStor Inc. in Austin, Texas, ein Unternehmen, das lieber ohne große Öffentlichkeit arbeitet und bislang noch nicht einmal eine eigene Webpräsenz zu besitzen scheint. Bekannt wird kaum mehr, als daß es sich bei Technik, die weltweit unter dem Namen Electrical Energy Storage Units (EESU) vertrieben werden soll, um einen parallelen Plattenkondensator aus Tausenden dünner Blech-Schichten handelt.

Kernbestandteil ist eine jeweils nur knapp 10 Mikron dicke keramisches Schicht als Dielektrikum. Diese besteht aus einem mit Aluminiumoxid beschichteten Bariumtitanat-Pulver, das mit rund 6 % Polyethylenterephthalat (PET) und Bindemittel vermischt und dann in Nitrocelluloseharz und Lösungsmittel suspendiert wird, um als Siebdruckfarbe verwendet zu werden. Auch die umgebenden PET- und Aluminiumschichten werden per Siebdruck ausgebildet.

Die einzelne EESU, die rund 128 kg wiegt und 52.220 kWh Energie speichern kann, besteht aus 31.351 dieser parallel angeordneten Bauteile mit einer Gesamtkapazität von 30.693 Farad. Erreichbar sind stabile Spannungen bis 5.000 V, die Selbstentladung beträgt 0,1 % pro Monat. Zum Vergleich: Mit einem 10 Farad Caps läßt sich eine rote LED mehr als eine Stunde lang betreiben.

Die Entwicklung soll mehr als 10 mal soviel Energie speichern können wie eine konventionelle Blei-Säure-Batterie, die Ladezeit beträgt nur wenige Minuten, und die Zyklenzahl sei praktisch unbegrenzt, ohne daß es zu einer Schwächung des Materials kommt. Das Unternehmen hält zwei Patente: US-Nr. 7.033.406 (beantragt 2001, erteilt 2006) und US-Nr. 7.466.536 (beantragt 2004, erteilt 2008).

EEStor kooperiert mit dem kanadischen Kleinwagenhersteller Feel Good Cars und erhält im September 2005 von Kleiner Perkins Caufield & Byers für einen Anteil von rund 20 % eine Investitionssumme von 3 Mio. $ zur Weiterentwicklung seiner Technologie. Der kanadische Minderheitsgesellschafter ZENN Motor Co. (3,8 %), der bereits 2,5 Mio. $ in diese Partnerschaft investiert hat, will die Superkondensatoren bereits im ersten Halbjahr 2007 in seinen Elektrofahrzeugen einsetzen.

Tatsächlich werden insgesamt 500 Stück dieser 15 kWh Energiespeicher produziert, bis die Produktion im Jahr 2010 eingestellt wird, da EEStor bei einer Vielzahl von Tests feststellen muß, daß die erfolgreichen Ergebnisse der Einheiten widersprüchlich sind ,und daß die getesteten Schichten noch nicht einmal in der Nähe der Kapazitäten kommen, die für ihre Verwendung in Fahrzeugen erforderlich sind.

Im Januar 2008 schließt EEStor einen Vertrag mit dem Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin ab, der Lockheed eine exklusive und internationale Lizenz gibt, die neuen Energiespeichersysteme für Anwendungen im Militär- und Heimatschutzbereich einzusetzen. Im August meldet Lockheed-Martin das Patent für eine Körperpanzerung an, die neben einer Panzerplatte auch eine elektrische Energiespeicherschicht enthält, welche vermutlich aus einem EEStor-Superkondensator besteht (WO-Nr. 2008156903; vgl. EP-Nr. 2137482). Im September folgt ein Exklusivvertrag mit der Light Electric Vehicles Co., um die EESUs in zwei- und dreirädrigen Fahrzeugen zu verwenden.

Die Massenproduktion der EEStore-Technologie ist nun für Ende des Jahres geplant, wird dann aber auf den Herbst des Folgejahres verschoben, da es nicht gelingt, für eine angemessene Finanzierung zu sorgen.

Zwar kann im April 2009 die Zertifizierung der Dielektrizitätskonstante des modifizierten Barium-Titanat-Pulvers durch die Firma Texas Research International bekanntgegeben werden, dei den Testern zufolge 22.500 erreicht bzw. überschreitet, was ein wirklich großes Speicherpotential für Ultrakondensatoren bedeutet. Im Juli investiert Zenn daraufhin weitere 5 Mio. $ für einen Anteil von 10,7 % an EEStor, storniert im Dezember aber die Pläne für das Auto und plant statt dessen, nur noch den Antriebsstrang zu liefern.

Im April 2010 streicht Zenn dann die gesamte Produktion von Elektrofahrzeugen und setzt seinen zukünftigen Schwerpunkt ausschließlich auf die EEStor-Technologie, die für 100 $/kWh auf den Markt kommen soll, wie es zu diesem Zeitpunkt heißt. Im 14. Juli kann EEStor sein Kapitalpolster um weitere 9,2 Mio. (kanad.) $ anheben, hat eigenen Aussagen zufolge bereits die „große Menge von zehntausenden Gramm“ des für die EESUs benötigten Pulvers hergestellt, und verspricht noch in diesem Jahr Demonstrationen seiner Technologie, möglicherweise in Form eines 52 kWh Packs.

Danach bleibt es eine Weile still um das Unternehmen, bis eine Pressemitteilung Mitte Mai 2012 erscheint, derzufolge EEStor weiterhin existiert und sogar Fortschritte bei der eigenen Technologie gemacht hat, insbesondere bei der Erhöhung der Zuverlässigkeit des Fertigungsprozesses. Das für die kommerzielle Produktion notwendige Niveau der Dielektrizitätskonstante sei aber noch immer nicht erreicht worden. Doch schon im Juni folgt die Meldung, daß die Produktion einer elektrischen Energiespeichereinheit (EESU) abgeschlossen wurde, die nun von dritter Seite geprüft und zertifiziert werden soll.

Im Dezember wird bekannt, daß Zenn in Kürze einen 51 %-igen Anteil von EEStor kaufen wird, obwohl eine Produktprüfung ergeben hat, daß die Energieabgabe der Speichersysteme nicht konsistent ist, was bedeutet, daß die Produkte noch immer nicht marktreif sind. Als Teil der Vereinbarung treten EEStors technischer und der kaufmännischer Geschäftsführer zurück.

Im April 2014 dreht sich das Personalkarussell weiter, als nun auch der Direktor und der Vorstandsvorsitzende der Firma ihren Platz räumen müssen. Der bislang letzten Meldung vom Mai zufolge besitzt ZENN inzwischen 71,3 % der EEStor.


In den Jahren 2001/2002 testet die Firma MAN in Nürnberg die ersten diesel-elektrischen Hybridbusse mit Ultrakondensatoren im Linieneinsatz. Jeder ,Ultracapbus’ enthält acht Ultracap-Module, die mit 640 V betrieben werden, 400 kg wiegen, einen Energieinhalt von 0,4 kWh haben und einen maximalen Strom von 400 A liefern. Die Vorteile des Systems sind eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 10 - 15 % im Vergleich zum konventionellen Dieselfahrzeug, das Verlassen der Haltestelle ohne störende Geräusch- und Abgasbelastung, die Erhöhung des Fahrkomforts durch ruckfreies, vibrationsarmes Fahren, sowie eine Reduktion der Wartungskosten.

Von 2005 bis 2008 finden weitere Versuche mit weiterentwickelten Prototypen statt, und nachdem ab 2010 Vorserienfahrzeuge u.a. in München und Wien in den Einsatz gehen, beginnt im Jahr 2011 die Serienproduktion des Modells Lion’s City Hybrid (des es übrigens auch als Wasserstoffbus gibt).


Ein sehr fortschrittliches Projekt startet 2002 im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Energie (BFE) in Luzern, wo ein TOHYCO-Rider Kleinbus mit Ultrakondensatoren betrieben wird, die an jeder Haltestelle berührungslos per magnetischer Induktion aufgeladen werden. Über derartige Technologie berichte ich unter Elektromobil-Stromladenetze.

Das Projekt des SuperCap-Forschers Vinzenz Härri von der Hochschule Luzern, dessen Planung bis 1998 zurückreicht, ist so erfolgreich, daß der Flottenversuch bis ins Jahr 2004 hinein weiter fortgesetzt wird (andere Quellen: bis 2006).

Obwohl für den Betrieb des Busses fast 1.000 SuperCaps nötig sind, um genügend Energie für die Fahrt vom Verkehrshaus zum Bahnhofplatz Luzern zu tanken, ist das Gesamtgewicht wesentlich geringer als bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Außerdem gehen SuperCaps nicht kaputt. Die Erfahrungen zeigen allerdings auch, daß die Systemintegration bei SuperCaps nicht so einfach ist.


Die in Haemek Migdal, Israel, beheimatete Cellergy Ltd. wird im Jahr 2002 gegründet und entwirft, entwickelt und produziert kostengünstige, energiesparende, hochleistungsfähige und umweltverträgliche Superkondensatoren für verschiedene Märkte und Anwendungen, die auf der firmeneigenen Siebdrucktechnik basieren. Das F&E-Zentrum der Firma befindet sich in Rishon LeZion.

Cellergy-Caps

Cellergy-Caps

Im Mai 2007 wird Cellergy von der ebenfalls israelischen Firma PCB Technologies Ltd. erworben. Mit der Mouser Electronics Inc., einem weltweit führenden autorisierten Händler von Halbleitern und elektronischen Komponenten für über 500 branchenführende Anbieter, wird im Dezember 2011 ein globales Vertriebsabkommen geschlossen.

Im Laufe des Jahres 2012 werden verschiedene neue Produktreihen eingeführt.

Im April 2013 wird die Verfügbarkeit der Sol Chip Everlasting Solar Battery bekanntgegeben, die für drahtlose Sensoren und Kurzstrecken-Kommunikationsgeräte gedacht ist.

Das gemeinsam mit der Firma Sol Chip Ltd. aus Haifa entwickelte und vertriebene Energy Harvesting-Gerät besteht in der Hauptsache aus einer Solarzelle und Superkondensatoren.


Über Superkondensatoren mit Aerogel-Kohlenstoff als aktivem Material wird schon Anfang 2003 berichtet. Auf den Markt gebracht wird diese Variante von dem US-Unternehmen Cooper Bussmann (PowerStor), ein weiterer Hersteller ist die deutsche Firma Setron GmbH in Braunschweig.

Aerogel-Kondensatoren werden oftmals als ,kleine Batterie’ bezeichnet, da eine ähnliche Energiespeicherfähigkeit erreicht wird. Sie bieten aber deutliche Vorteile gegenüber der Batterietechnologie, da sie eine viel höhere Leistungsdichte und auch eine deutlich längere Lebensdauer erreichen.


Die 2003 in Seattle, Washington, gegründete Firma EnerG2 Technologies Inc. arbeitet an einer patentierten Technologie-Plattform für die Großproduktion von Kohlenstoffmaterialien (Carbon Technology Platform, CTP), welche die Grenzen der natürlich vorkommenden Kohlenstoffe übertreffen, die bislang in Energiespeicheranwendungen eingesetzt werden. Entwickelt wurde diese Technologie ursprünglich an der University of Washington von Prof. Guozhong Cao und Aaron Feaver, den späteren Mitgründern der Firma.

Im Jahr 2004 bildet EnerG2 eine Partnerschaft mit Prof. Cao (in seiner universitären Funktion), um den Einsatz von Kohlenstoff-Nanomaterialien für die Speicherung von Energie und andere Anwendungen zu studieren, was zunächst mit einem Zuschuß des Washington Technology Center in Höhe von 240.000 $ finanziert wird. Weitere Mittel erhält das Unternehmen in den Folgejahren vom US Department of Energy, der National Science Foundation, dem Pacific Northwest National Laboratory und dem Zentrum für Nanotechnologie der University of Washington.


Batterie
(Grafik)

Nach einigen Jahren, in denen das Unternehmen keinerlei äußere Aktivitäten zeigt, beginnt die Presse im Jahr 2007 wieder darüber zu berichten, u.a., daß der Sustainability Investment Fund in diesem Jahr eine ungenannte Summe in EnerG2 investiert hat. Die Firma bietet inzwischen neuartige Materialien wie synthetische Kohlenstoffpulver, Kohlenstoff-Monolithen und Nanokomposite für Anwendungen wie Erdgasspeicher, Wasserstoffspeicher, effizientere Solarzellen und Ultrakondensatoren an, kann bislang aber nur kleine Mengen seiner synthetischen Kohlenstoffe herstellen.

In einer Finanzierungrunde A im November 2008 kann das Unternehmen 8,5 Mio. $ von Kirkland, OVP Venture Partners und Firelake Capital Management einnehmen, und im Juni 2009 kommen weitere 2,5 Mio. $ in Aktien und Optionen dazu. Einen gewaltigen Schritt voran geht es, als das Unternehmen im August aus dem US-Energieministerium eine Förderung in Höhe von 21,3 Mio. $ bekommt, um in Albany, Oregon, eine neue Produktionsanlage zu errichten.

Im April 2010 gibt es 3,5 Mio. $ von einem nicht genannten Investor, und im August beginnt auch der Bau der Fabrik in Albany, die im Oktober 2011 in Betrieb gehen soll. Zu Beginn will sich EnerG2 auf Anwendungen im Transport- und Kraftfahrzeugbereich konzentrieren und will seine Kohlenstoff-Elektroden in ausreichend großen Mengen herstellen, um Energiespeicher für bis zu 60.000 Elektrofahrzeuge pro Jahr liefern zu können. Sobald die Fabrik ihre volle Kapazität erreicht, sollen jährlich Komponenten für sogar 500.000 Fahrzeuge produziert werden.

Die ersten Kunden für die Produkte sind Ultrakondensator-Hersteller, die ein 25 – 30 % besseres Energiespeichervermögen erwarten. Bei Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien kann der Firma zufolge sogar ein Leistungssteigerung um das Dreifache erwartet werden. Somit ist es auch nicht verwunderlich, daß EnerG2 im September 2011 bekanntgeben kann, einen Forschungsauftrag des Advanced Lead-Acid Battery Consortium (ALABC) erhalten zu haben, um die Leistung von Blei-Säure-Batterie zu steigern.

Im Februar 2012 wird die Anlage in Albany, die insgesamt 28,4 Mio. $ gekostet hat, in Betrieb genommen – wobei schon an eine Expansion gedacht wird. Im Januar 2013 gibt es nochmals fast 9,4 Mio. $ an neuen Finanziersmitteln, und im März rollt erstmals Nano-Struktur-Hartkohle für Lithium-Ionen-Batterien vom Band. EnerG2 zufolge handelt es sich bei der Fabrik um die weltweit erste Anlage für die Produktion von technischen Kohlenstoffmaterialien in industriellem Maßstab.


Ein Patent, in dem ein Hybridkondensator mit einer Energiedichte von 5.500 Wh/l beschrieben wird, reicht das deutsche Unternehmen BASF im Jahr 2003 ein. Der beschriebene Kondensator kombiniert die Vorteile der Oberflächenvergrößerung einer porösen Elektrode mit einer 0,1 µm dicken Bariumtitanat-Schicht.

Daß SuperCaps so viel Energie speichern können, liegt in erster an der großen Fläche der Elektroden und deren geringem Abstand im Nanometerbereich, was wie kleine Kanäle wirkt.

Bisher ist man der Meinung, daß es hierfür jedoch eine prinzipielle Grenze gibt: Wenn sich die Ionen vor der Oberfläche sammeln sollen, dürften die Kanäle eigentlich nicht kleiner sein als die Ionen selbst, vor allem, da diese aufgrund ihrer Ladung normalerweise auch noch von weiteren Molekülen umgeben sind, ihrer sogenannten Lösungswolke.

Forscher aus den USA und Frankreich berichten jedoch im August 2006, daß es mit einem speziellen Verfahren gelungen sei, Kohlenstoffelektroden zu erzeugen, die Poren von nur 0,6 Nanometern Durchmesser enthalten. Bei Untersuchung der Speicherfähigkeiten damit aufgebauter Doppelschicht-Kondensatoren zeigt sich, daß das veränderte Material 50 % mehr Ladung speichert als das Standard-Material. Die Forscher vermuten, daß die Lösungswolke jedes Ions stark verzerrt wird, und das Ion dann trotzdem in die Poren paßt.

Das Forscherteam vom CNRS Research Centre on Divided Matter in Orléans hatte herausgefunden, daß sich aus dem Ausgangsmaterial Alginat – einer zelluloseähnlichen Verbindung aus Braunalgen – qualitativ gute und günstige Ladungsspeicher herstellen lassen, die große Energiemengen besonders schnell freisetzen können.

Zur Herstellung der Kondensatoren wird das Alginat unter Sauerstoffausschluß auf 600°C erhitzt, und die Überreste mit Salzsäure und Wasser gewaschen, wodurch ein sauberes Pulver entsteht, das mit einem Bindemittel vermischt, ein weiteres mal erhitzt und anschließend in ein breites Elektrodenband gepreßt wird. Dieses Band kann aufgerollt und in die gewünschte Form gebracht werden, um die Algenkondensatoren beliebig in Fahrzeughohlräume einzubauen. Außerdem wiegen sie nur etwa halb so viel wie gleichgroße Batterien.

Die Prototypen erreichen Energiedichten von 15 - 16 Wh/kg und liegen damit fast dreimal so hoch wie die Konkurrenzmodelle aus aktiviertem Kohlenstoff. Auch nach über 10.000 Lade- und Entladezyklen verlieren sie nur wenig von ihrer Kapazität. Der Kooperationspartner der französischen Forscher, das Unternehmen SGL Carbon SE mit Sitz in Wiesbaden, Deutschland, will das neue Verfahren nun zur Marktreife bringen und hofft, daß die Superkondensatoren aus Algen in drei Jahren getestet werden können, um dann in etwa zehn Jahren auf den Markt zu kommen.


Sehr kleine SuperCaps bringt das australische Unternehmen CAP-XX aus Lane Cove unter dem Namen prismatic supercapacitors im Jahr 2006 auf den Markt.

Die Firma wird für ihren bahnbrechenden Nanotechnologie-Prozeß bekannt, mit dem Produkte von hohen Kapazität und niedrigem Widerstand hergestellt werden können. Erhältlich sind bereits Einzel-Zellen (2,5V) und Dual-Zellen (4,5 V).

Ab 2008 sind auch Hochtemperatur-SuperCaps im Angebot (2,75 V und 5,5 V), die bis zu 85°C aushalten. Im selben Jahr wird die Supercap-Technologie von CAP-XX von der japanischen Firma Murata Manufacturing Co. Ltd. erworben.

Diese bringt z.B. im September 2013 eine neue DMT-Serie heraus, die zu den zuverlässigsten EDLCs auf dem heutigen Markt gehört. Die Produkte zeichnen sich durch eine überragende Langzeit-Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen aus (5 Jahre bei 70°C), messen 14 x 21 mm un haben eine Dicke von nur 3,5 mm.


Mitte 2006 wird die 1965 (unter dem Namen Maxwell Laboratories) gegründete Firma Maxwell Technologies Inc. mit Hauptsitz in San Diego, Kalifornien, mit ihren 2,5 V Ultrakondensatoren bekannt, die in einem Bereich zwischen 5 und 2.500 Farad angesiedelt sind. Herzstück der Technologie ist eine Elektrode aus Aluminium, auf der eine Schicht aus aktiviertem Kohlestoffpulver aufgebracht ist.

Wird eine Spannung angelegt, haften die elektrischen Ladungen an der Elektrode und bleiben – weil sie sich gegenseitig anziehen – eine Zeitlang dort gespeichert, auch wenn die Stromquelle abgenommen wird. Dabei kann umso mehr Ladung gespeichert werden, je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden und je größer deren Oberfläche ist. Das Kohlestoffpulver auf einem einzigen Kondensator-Wickel hat eine Oberfläche von rund 130 Fußballfeldern.

Die Energie-Speicherdichte beträgt über 3 Wh/kg und soll in den nächsten Jahren auf etwa 15 Wh/kg angehoben werden. Für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen müßten allerdings mehr als 100 Wh/kg erreicht werden.

BoostCaps von Maxwell

BoostCaps von Maxwell

Ende des Jahres stellt das Unternehmen ein kompaktes, vollintegriertes 125 V Modul vor, das als Baustein für die Energieversorgung von Elektromobilen sowie für industrielle Anwendungen bis 1.500 V geeignet ist, wobei in diesem Fall 12 Stück der jeweils 50 kg schweren, robusten, spritzwassergeschützten und in einer Aluminiumhülle verpackten Module in Reihe geschaltet werden. Als Lebensdauer der BoostCap-Module wird eine Zeit von 15 Jahren genannt.

Das Unternehmen weist bereits im ersten Produktionsjahr 2007 einen Umsatz von 17,4 Mio. $ aus, der bis 2011 auf 97 Mio. $ steigt. In Europa kommen die Produkte im Jahr 2010 über die Firma Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH auf den Markt.

Zu den Highlights aus dieser Zeit zählt ein Test der Ultrakondensatoren im U-Bahn-System in Südkorea, um die Energie beim Bremsen der U-Bahnwagen zurückzugewinnen. Anfang 2008 verschifft Maxwell 72 Stück seiner 48 V Module, die an einem regenerativen 740 V Bremssystem auf der Gyeongsan-Linie getestet werden sollen. Im Oktober werden weitere 220 Module verschifft, die als Teil eines 1.500 V DC-Systems installiert und bis Mitte 2009 ihre Tests durchlaufen werden.

Bis Ende 2009 hat das Unternehmen bereits Millionen von Einheiten verkauft, wobei der durchschnittliche Verkaufspreis eines 3.000 Farad Ultrakondensators 40 $ beträgt. Nun wird auch daran gearbeitet, Ultracaps in einem Honda Civic zu installieren um zu prüfen, ob man damit den Motor starten und die elektrische Servolenkung betreiben kann (der Toyota Prius verwendet bereits einen kleinen Ultracap für seine elektrischen Bremsen, der allerdings von Panasonic stammt).

Im April 2011 wird gemeldet, daß Maxwell Technologies seine Produktionskapazität für Ultrakondensatoren im vergangenen Jahr mehr als verdoppelt hat. Bis dato sind mehr als 15 Millionen Ultracaps ausgeliefert worden. Unter anderem sind sie zur Stromversorgung von über 4.500 Hybrid-Linienbussen weltweit im Einsatz. Und seit Herbst des Vorjahres sind sie auch innerhalb der Stopp-Start-Systeme von Continental installiert, die von PSA Peugeot-Citroen eingeführt worden sind. Die nächsten Pläne der Firma umfassen nun in erster Linie eine Leistungserhöhung bei den BoostCap-Ultrakondensatoren.

Bombardier Transportation, ein führender Hersteller von Schienenfahrzeugen (und anderem) wählt im Januar 2012 die Ultrakondensatoren von Maxwell als Energiespeicherelemente für sein EnerGstor Bremsenergierückgewinnung-System aus.

Im Juni 2013 fällt der Startschuß für ein Projekt an der University of California in San Diego zur Integration von Ultrakondensatoren, die nun humorvoll als ,Flash-Speicher für Stromnetze’ bezeichnet werden, in den Gesamtmix. Das von der California Energy Commission mit 1,39 Mio. $ finanzierte Projekt soll die Kosten und den Nutzen der Kombination von Maxwell-Ultrakondensatoren und Solaranlagen auf Basis der Konzentrierten Photovoltaik (CPV) von Soitec testen.

Die Universität verfügt bereits über ein innovatives Microgrid, eine Kombination aus Solarenergie, Energiespeicher, Vor-Ort-Erzeugung und Energie-Management-Steuerelementen, die in normalen Zeiten 90 % des Campus-eigenen Strombedarfs decken kann. Ein zweites System in kommerziellem Maßstab wird an einem Solarkraftwerk von Soitec in Süd-Kalifornien installiert und soll bis Ende 2015 betrieben werden.


Zu diesem Zeitpunkt – 2006 – gibt es bereits rund 10 Hersteller von Ultrakondensatoren, zu denen auch die 2001 gegründete kleine südkoreanische Firma NessCap Ltd. aus Seoul gehört, die aus der Forschungsabteilung der Firmengruppe DAEWOO hervorgegangen ist und deren Produkte inzwischen bei 2,7 V bis zu 5.000 Farad erreichen.

NessCap-Produkte

NessCap-Produkte

Laut Forschern der University of California handelt es sich dabei um die stärksten UnltraCaps, die zu dieser Zeit auf dem Markt sind. Die NessCap-Produkte können 10 mal mehr Leistung liefern und halten auch 10 mal länger als herkömmliche Akkus, außerdem können sie mehr Energie speichern als alle anderen im Handel erhältlichen Ultrakondensatoren.

Im Jahr 2005 bekommt das Unternehmen einen Zuschuß des United States Advanced Battery Consortium (USABC) für ein 4,5 Mio. $ Ultrakondensator-Projekt, das im Auftrag des United States Council for Automotice Research (USCAR) durchgeführt wird.

Ein zwischenzeitlicher Patentstreit mit dem größten Konkurrenten Maxwell Technologies (s.o.) scheint gütlich gelöst worden zu sein.

Im September 2009 kann die Firma, die sich inzwischen als Technologieführer bei Ultrakondensatoren bezeichnet, von dem in London ansässigen I2BF Venture Capital Investitionsmittel in Höhe von 9 Mio. $ einstreichen.

Die CapComp GmbH in Pleidelsheim, Deutschland, seit der Gründung im Jahre 2005 Partner der NessCap, kündigt im September 2010 ein neues, kompaktes und hochleistungsfähiges 125 V Multi-Zellen-Ultrakondensator-Modul mit einer Kapazität von 62 Farad an.

Das voll integrierte Produkt beinhaltet ein herstellerspezifisches Überwachungs- und Zell-Ausgleichssystem, zudem verfügt es über eine integrierte thermische Kontrolle. Typische Anwendungen finden sich in Hybrid-Fahrzeugen zur Speicherung der Bremsenergie, sowie in Flur-Fahrzeugen oder Krananlagen zur Rekuperation.


Auch die im Jahr 2006 in den USA gegründete Firma APowerCap Technologies LLC (APCT) mit Hauptsitz in Kiew, Ukraine, und einer Repräsentanz in Redwood City, Kalifornien, entwickelt und produziert Hochleistungs-Ultrakondensatoren und bietet Ultrakondensator-basierte Lösungen für eine Vielzahl von Kunden und Marktsegmente. Das Unternehmen hält eine Reihe von ukrainischen und russischen Patenten über die Ultrakondensator-Technologie, zwei US-Patente sind angemeldet.

APCT-Zelle

APCT-Zelle

Das Ultrakondensator-Technologie-Projekt war im Jahr zuvor Finalist des ukrainischen High-Tech-Wettbewerbs, und konnte im November 2006 seine Technologie auch erfolgreich vor internationalen VC-Investoren auf der Silicon Valley Open Doors (SVOD) Konferenz präsentieren und als Gewinner aus dieser Veranstaltung hervorgehen. Die Startinvestition kommt daraufhin von der ukrainischen Venture Capital-Firma TechInvest, später wird APCT von einer der größten ukrainischen Finanzgruppen in Großbritannien gesichert.

Ihren Technologievorsprung gewinnt die APCT durch die Übernahme mehrerer ukrainischer High-Tech-Firmen und osteuropäischer F&E-Unternehmen mitsamt deren Entwicklungsteams, deren Geschichte der Ultrakondensator-Forschung bis Mitte der 1990er Jahre zurückreicht. Begonnen hatte diese im Rahmen eines Sonderprojekts des Ministeriums für Elektronik der ehemaligen Sowjetunion. Nach deren Zusammenbruch gegründeten die Mitglieder des späteren APCT-Forschungsteams eine Firma, die erfolgreich Auftrags-F&E-Dienstleistungen für internationale Kunden in Bereich der Ultrakondensator-Technologie anbietet.

Die von APCT (bzw. deren Vorläufern) entwickelten Ultrakondensator-Prototypen werden von führenden Branchenexperten getestet, darunter dem ABB Research Center (Schweden, 19961997), dem Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL, 19971998) und der Institution of Transportation an der University of California (Davis, USA, 19972006), die den APCT-Ultrakondensatoren eine 2 – 3 mal bessere Leistung bestätigt, als die der besten Konkurrenzprodukte.

Im Juni 2008 startete APCT eine Pilot-Produktionsstätte in Khmelnitskiy und beginnt, seine potentiellen Kunden mit Produkt-Proben zu versorgen, und im Oktober erhält die Firma eine Finanzierungszusage für einen Betrag zwischen 5 und 20 Mio. $ von einer Investmentfirma namens EastOne Group. Es scheint allerdings nicht zu dem Geschäft gekommen zu sein, denn nach zwei letzten Meldungen Anfang 2009 ist über APCT nichts mehr zu finden.


Ab 2006 testen die Firmen Sinautec Automobile Technologies LLC und Shanghai Aowei am Rande von Shanghai 17 Superkondensator-Busse, die an Ladestationen an einigen der Haltestellen entlang der Pilotstrecke aufgeladen werden, indem dort ein Stromabnehmer auf dem Dach des Busses angehoben wird und eine Oberleitung berührt, wodurch die unter den Bussitzen installierten Superkondensatoren innerhalb von 5 Minuten vollgeladen werden. Ich habe darüber bereits unter Elektrozüge bis PRT-Systeme berichtet (s.d.).


Die 2001 gegründete australische Firma Demain International Pty. Ltd. aus Heatherton, Victoria, hat das Ziel, innovative Elektrowerkzeuge für den globalen Markt zu konzipieren und zu entwickeln. Erfolge gibt es mit dem Bohrfutter Power-Tite und dem Luftkühlungs-System Air Thru – sowie mit der 2007 erstmals präsentierten Flashcell-Technologie für Akkuschrauber, die auf Grundlage von Ultrakondensatoren ein Ladezeit von nur 45 Sekunden ermöglicht. Entsprechende Produkte werden seitdem in zunehmendem Maße angeboten, z.B. von Kinzo, da Demain selbst keine Herstellung hat, sondern nur als Lizenzgeber auftritt.


Etwa ab 2007 leistet die japanische Firma Sanyo Pionierarbeit bei der Entwicklung eines neuen Lithium-Ionen-Hybrid-Kondensators, der eine elektrostatische Kohlenstoffelektrode mit einer elektrochemischen, vordotierten Lithium-Ionen-Elektrode kombiniert, was den Kapazitätswert erhöht.

SuperCaps von Wima

SuperCaps von Wima

Im März 2007 liest man erstmals auch von dem deutschen Unternehmen Wima GmbH & Co. KG aus Mannheim, das Doppelschicht-Ultrakondensatoren mit Kapazitäten von 110 F, 200 F, 600 F und 2.700 F bei einer Nennspannung von 2,5 V anbietet.

Der technische Aufbau besteht aus aktivierter Kohle, als Elektrolyt wird in wässerigem oder organischem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz eingesetzt.

Die SuperCaps von Wima erreichen eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren und verkraften problemlos über 500.000 Lade/Entlade-Zyklen, wobei der Wirkungsgrad deutlich über 90 % liegt.

Später scheint man diese Produkte allerdings wieder aus dem Sortiment genommen zu haben, denn auf der Homepage der Firma werden sie nicht mehr aufgeführt (Stand 2014).


Physiker der North Carolina State University um Vivek Ranjan finden gemeinsam mit Kollegen der Firma Dupont Electronic Technologies Mitte 2007 einen Weg zur Verbesserung von Kondensatoren mit hoher Energiedichte, die damit bis zu sieben mal so viel Energie speichern können, wie herkömmliche Modelle.

Als Dielektrikum wird ein Polymer namens PVDF eingesetzt, das in zwei Formen existiert, polarisiert oder unpolarisiert. Wird dieses Polymer mit einem zweiten namens CTFE gemischt, entstehen Regionen, die ihre Struktur so verändern, daß sie sich zur Speicherung und Freisetzung extrem großer Mengen von Energie eignen. Unter Verwendung dieser Technik können bereits routinemäßig funktionelle Dünnfilmkondensatoren mit 2,5 cm Seitenabmessungen und Dielektrikumsdicken von 1 µm hergestellt werden.

Es ist wie so häufig bei wissenschaftlichen Meldungen, daß auch eine intensive Recherche keine weiteren Entwicklungsschritte zutage fördert. Aus der Universität hört man in Bezug auf Ultrakondensatoren erst wieder etwas im Februar 2012, als das Forscherteam meldet, daß es die Art und Weise entdeckt habe, mit welcher es der Polymer PVDF Kondensatoren ermöglicht, große Mengen an Energie so schnell zu speichern und wieder freizusetzen.

Gemeinsam mit Jerzy Bernholc sowie Marco Buongiorno-Nardelli von der University of North Texas werden Computersimulationen durchgeführt, um zu sehen, wie sich die atomare Struktur innerhalb des Polymers verändert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Das Anlegen des Feldes an das Polymer bewirkt, daß sich die Atome darin polarisieren, was es dem Kondensator ermöglicht, Energie schnell zu speichern und freisetzen.

Bei ihren Untersuchungen finden sie auch heraus, daß die Atome, sobald ein elektrisches Feld an der PVDF-Mischung angelegt wird, einen synchronisierten Tanz aufführen, wobei sie alle gleichzeitig aus einem unpolaren in einen polaren Zustand wechseln, wozu eine nur sehr kleine elektrische Ladung erforderlich ist. Die Wissenschaftler hoffen, daß ihre Erkenntnisse zur Entwicklung von Ultrakondensatoren führen, die Elektrofahrzeugen die gleiche Beschleunigung von Benzinern gibt.

Nur wenige Monate später, im Mai 2012, berichtet ein weiteres Team der North Carolina State University um Prof. Xiaodong Li darüber, ein neues, leitendes Baumwollgewebe entwickelt zu haben, das in der Lage ist Energie zu speichern.

Die Herstellung erfolgt, indem ein einfaches Baumwoll-T-Shirt für eine Stunde in einer Natriumfluoridlösung eingeweicht und dann auf zwei verschiedenen Wärme-Ebenen getrocknet wird, was die Baumwolle in Aktivkohle verwandelt. Das noch immer flexible Material wird dann mit einer Nano-Schicht aus Manganoxid beschichtet, was den Stoff zu einem Superkondensator mit 97,3 %-iger Retention (Ladungsbeibehaltung) umwandelt. Das Verfahren ist umweltfreundlich und kostet bis zu 10 mal weniger als die Verarbeitung von Kohle oder Erdöl zu Aktivkohle.

Im Oktober 2012 folgt eine Veröffentlichung, über die ich bereits unter Nano-Solarzellen berichtet habe (s.d.).

Hier sind es Wissenschaftler um Linyou Cao, die gemeinsam mit Kollegen des U.S. Army Research Office an sogenannten ,Nanoblumen’ aus preiswertem und ungiftigem Germaniumsulfid (GeS) experimentieren. Diese können viel mehr Licht einfangen bzw. Energie speichern als herkömmliche Systeme und daher auch die Kapazität von Superkondensatoren erweitern.

Das Geheimnis steckt in der Form, denn die Blume hat Tausende von etwa 0,1 mm langen und 20 - 30 nm dünnen Blütenblättern, die zusammen eine gewaltige Fläche ergeben und daher auch wesentlich mehr Ionen aufnehmen können.

Die Herstellung im Labor erfolgt, indem zuerst eine Germanium-Sulfid-Nanoschicht als Grundeinheit der Struktur geschaffen wird, und zwar durch Verdampfen von Germanium-Pulver und Schwefel in einem Ofen bei 450°C sowie anschließender Umwandlung der Mischung zurück in einen Feststoff bei 300°C. Dabei werden Temperatur und Druck genau kontrolliert, um sicherzustellen, daß der Feststoff die Form einer flache Platte bekommt. Fünfzehn Nanoschichten bilden einen Zweig; werden weitere Schichten hinzugefügt, entsteht eine Blume. Die Technologie soll in einem Jahr für industrielle Anwendungen bereit sein – hoffen jedenfalls die Wissenschaftler.


Im August 2007 meldet die russischen Nachrichtenagentur RIA Novosti, daß Physiker des Vereinigten Instituts für Atomforschung in Dubna bei Moskau einen Superkondensator mit Hilfe der Nanotechnologie konstruiert haben. Dabei werden kleinste Goldpartikel in eine nur 0,5 mm dicke Siliziumfolie eingepreßt, wobei sich die Eigenschaften des Materials derart stark ändern, daß ein Zylinder mit einem Durchmesser von nur 3 cm etwa 900 mal mehr Energie speichern kann als eine Autobatterie. Auch viele weitere Entwicklungen auf diesem Sektor sind zunehmend mit der Nanotechnologie verbunden.


Nachdem der Mannheimer Verkehrsbetrieb MVV und die Firma Bombardier Transportation erfolgreich einen im Jahr 2003 begonnenen Test mit einer GTN6 Straßenbahn abschließen, die auf der Basis von sehr leistungsfähigen Superkondensatoren arbeitet und 20 % weniger Stromverbrauch hat, verglichen mit herkömmlichen Straßenbahnen, bestellt der Rhein-Neckar-Verkehrsverbund (RNV) im Oktober 2007 für rund 52 Mio. € insgesamt 19 Bahnen mit der SuperCaps-Technologie (MITRAC Energy Saver).

Acht dieser Bahnen werden in Heidelberg auf einer neuen Strecke zwischen der Universität und dem Neuenheimer Feld verkehren, wobei auf dem Campus auf die Errichtung eines Fahrdrahtes verzichtet werden kann, um empfindliche wissenschaftliche Geräte zu schützen. Die übrigen Fahrzeuge werden im Bahndreieck Mannheim, Weinheim, Heidelberg verkehren.

Die grundsätzliche Idee des Systems ist es, die entstehende Bremsenergie der Straßenbahnen effizienter als bisher zu nutzen. Ein MITRAC-Kondensatorblock hat eine Leistung von 300 kW, wiegt 477 kg und hat die Maße: 190 x 95 x 45 cm. Mit ihm kann die Bahn 500 m ohne Oberleitungsstrom zurücklegen. Die Extrakosten für das System betragen etwa 270.000 €, die Amortisationszeit 15 Jahre.

Daß die Technologie zufriedenstellend funktioniert, belegt eine Folgebestellung des RNV im April 2011 über weitere 11 Niederflur-Variobahnen für 33 Mio. €.


Die Firma Nano Tune Technologies mit Sitz in Mountain View, Kalifornien, wird im November 2007 von Shiho Frank Wang gegründet, um fortschrittliche elektrische Speicherung-Anwendungen herzustellen und zu vermarkten.

Elektrode von Nano Tune

Elektrode von Nano Tune

Das Unternehmen, das mit 3 Mio. $ von der Venture-Capital-Firma Draper Fisher Jurvetson finanziert wird, entwickelt und produziert die weltweit ersten monolithischen, nanoporösen Elektroden aus dreidimensional miteinander verbundenen und formverzerrten Graphen-Schichten, wobei die patentierten Nanotuning- und Nanocasting-Polymerisation-Technologien des NanoTune zum Einsatz kommen.

Die entstehenden Poren sind etwa 4 – 5 nm groß, sollen zukünftig aber noch kleiner gemacht werden können. Das Resultat sind monolithische Elektroden, die Ultrakondensatoren mit 5 – 7 mal so viel Speicherkapazität wie herkömmliche Modelle ergeben, das sie der Firma zufolge das ineffizient aktivierte Pulver, die Flächeverstopfung, die Bindemitteln und die nicht beitragender Materialien herkömmlicher SuperCaps vermeiden.

Die produzierten Elektroden erreichen 20 Wh/kg bzw. 15 kW/kg im zusammengebauten Zellen. Mit einer teureren ionischen Flüssigkeit gelingt es Ultrakondensatoren herzustellen, die sogar 35 Wh/kg speichern. Bis Ende 2011 will das Unternehmen ungefähr das Doppelte der bisherigen Speicherkapazität erreichen. Allerdings ist die Technologie mit Preisen zwischen 2.400 $/kWh und 6.000 $/kWh noch sehr teuer. Nanotune glaubt aber, die Kosten auf 150 $/kWh senken zu können, wenn die Materialkosten sinken und die Superkondensatoren in größeren Mengen hergestellt werden. In begrenzter Stückzahl sollen die NanoTune-Prototypen ab 2012 im Tandem mit Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommen.

Im Jahr 2009 meldet das Unternehmen sein erstes Patent an (US-Nr. 20090305026), die zweite Anmeldung stammt von 2013 (US-Nr. 20130309591).

Nachdem Nano Tune im November 2011 Finalist der globalen Initiative LAUNCH wird, die von der NASA, USAID, dem US-Außenministerium und der Firma NIKE unterstützt wird, gelingt es dem Unternehmen im Juni 2012 in einer Finanzierungsrunde A immerhin 6 Mio. $ (von ursprünglich anvisierten 9 Mio. $) zu kassieren.


Lange Zeit völlig unbekannt, wird die Firma ReCapping Inc. in Menlo Park, Kalifornien, im Jahr 2008 erstmals mit 500.000 $ des Investors Khosla Ventures finanziert. Presse bekommt die Firma, die über keine eigene Website verfügt, im April 2010, als bekannt wird, daß Recapping durch die ARPA-E-Programm des DOE mit 1 Mio. $ unterstützt wird, um ab dem Juli und innerhalb von drei Jahren einen neuartigen Kondensator-Energiespeicher mit hoher Energiedichte zu entwickeln, der auf einer 3D-Nanoverbundstruktur basiert und eine hohe Zyklenfähigkeit mit einer ebenfalls hohen Leistungsdichte und niedrigen Kosten verbindet.

Recapping, das bislang noch nie öffentlich bekannt gemacht wurde und seine Technologie auch noch nie bewiesen hat, arbeitet mit der Pennsylvania State University zusammen. Die Zielvorgabe lautet 400 Wh/kg bei Zielkosten von rund 250 $/kWh. Ab 2010 wird auch jährlich ein neuer Patentantrag gestellt (US-Nr. 20100209779, 20110212382, 20120034528 und 20130026409), in denen als Erfinder ein Mark A. Wendman aus Freemont genannt wird, bzw. die Penn State Research Foundation. Ansonsten ist alles Schweigen...


Im September 2008 berichtet ein Team der University of Texas in Austin um Prof. Rodney S. Ruoff, daß Computermodellierungen darauf hindeuten, daß Graphen-basierte Ultrakondensator-Zellen mit chemisch verändertem Graphen (Chemically Modified Graphene, CMG) und verschiedenen marktüblichen Elektrolyten die doppelte Kapazität bestehender Ultrakondensatoren erreichen könnten, die unter Verwendung einer völlig anderen Form von Kohlenstoff hergestellt sind.

Auf der Abbildung eines einzelnen Graphen-Blattes sind die individuellen Kohlenstoff-Atome (gelb) wabenförmig angeordnet.

Die CMG-Materialien bestehen aus eine Atomlage dicken Kohlenstoff-Platten, die nach Bedarf funktionalisiert werden, und die in einer Ultrakondensator-Zelle mit wässerigen und organischen Elektrolyten spezifische Kapazitäten von 135 und 99 F/g erreichen.

Darüber hinaus verleiht die hohe elektrische Leitfähigkeit diesen Materialien eine konstant gute Leistung über einen weiten Spannungsbereich. Die Oberfläche einer einzelnen Graphenschicht beträgt 2.630 m2 /g.

Aufbau einer Zelle bei Graphene Energy Grafik

Aufbau einer Zelle bei
Graphene Energy (Grafik)

Finanzierung und Unterstützung der Arbeiten werden von der Texas Nanotechnology Research Superiority Initiative und der Universität selbst bereitgestellt.

Schon im Dezember wird in Austin die Firma Graphene Energy Inc. gegründet, welche eine Lizenz für die an der University of Texas und dem College of William and Mary entwickelte und zum Patent angemeldete Ultrakondensatoren-Technologie erwirbt und finanziell ab Mitte 2009 mit 500.000 $ vom Querus Trust und von der 21Ventures getragen wird. Danach scheint das Unternehmen aber spurlos verschwunden zu sein.

Von dem Ruoff-Team hört man dagegen im Mai 2011 wieder, als es über die Synthese eines porösen, schwammartigen Kohlenstoffs berichtet, der eine Oberfläche von bis zu 3.100 m2 /g aufweist und ideal ist, um für stark verbesserte Superkondensatoren verwendet zu werden. Auch die elektrische Leitfähigkeit ist sehr viel höher als bei anderen Kohlenstoffmaterialien.

Beobachtungen im Nanobereich mit stark hochauflösenden Elektronenmikroskopen bestätigen, daß das neue dreidimensionale Material stark gekrümmte, Einzel-Atom-dicke Mauer besitzt, die winzige Poren bilden. Ein Patent ist bereits eingereicht.


Ebenfalls im September 2008 berichten Jiyoung Oh und Michail ,Mike’ Kozlov von der University of Texas in Dallas, daß sie gemeinsam mit dem legendären Nanotechnologie-Pionier Ray Baughman eine Methode entwickelt haben, um Superkondensatoren aus ,Papier’- Blättern von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in einem speziellen Polymer namens Polypyrrol eingebettet sind, herzustellen.

Das neue Elektrodenherstellungsverfahren ist eine Erweiterung des herkömmlichen Verfahrens für die Herstellung von Bucky-Papier (ein Film aus 100 % Kohlenstoff-Nanoröhrchen) auf ein Mehrkomponenten-System, und soll leicht auf industriellen Maßstab skalierbar sein.


Die Enable IPC Corp. (Intellectual Property Commercialization), ein führendes Produktentwicklungs- und vermarktungsunternehmen, übernimmt im September 2008 eine Mehrheitsbeteiligung an der in Madison, Wisconsin, beheimateten Firma SolRayo LLC, die sich mit der Ultrakondensator-Technologie sowie mit Lithium-Ionen-Batterien beschäftigt.

Zelle der Enable IPC Grafik

Zelle der Enable IPC
(Grafik)

SolRayo hat eine neue Art von Hochleistungs-Ultrakondensator entwickelt und patentiert, der auf den firmeneigenen, preiswerten Nanopartikel-Kohlenstoff-Trägermaterialien für Elektroden basiert und gemeinsam von Prof. Marc Anderson von der University of Wisconsin in Madison sowie Kevin Leonard von SolRayo erfunden worden ist.

Die Ultrakondensatoren der Firma werden als Systeme der vierten Generation bezeichnet, die einen Doppelschichtkondensator mit einem isolierenden Oxid auf dem Kohlenstoff kombinieren, wobei die meiste Ladung durch den isolierenden Film aus Nanopartikel-großen Oxiden gespeichert wird.

Im Juni 2009 wird gemeldet, daß Enable IPC vor kurzem Ultrakondensatoren für ein Demonstrationsprojekt an die spanische IMDEA Energia in Madrid verschickt hat, die im Rahmen des von der spanischen Regierung geförderten Programms SA2VE in ein Netzstabilisierungssystem eingebaut werden sollen. Genau ein Jahr später gibt es knapp 150.000 $ von der National Science Foundation (NSF), um in Zusammenarbeit mit der University of Wisconsin die Verwendung von Nanopartikel-Oxidschichten zur Erhöhung der Zykluszahl von Li-Io-Batterien weiter zu erforschen. Einen weiteren NSF-Zuschuß in Höhe von knapp 0,5 Mio. $ gibt es im April 2012, um das Programm über die nächsten zwei Jahre fortzusetzen.


Die im August 2001 gegründete F&E-Firma Eamex Corp. mit Hauptsitz in Osaka, Japan, gibt im November 2008 die Entwicklung einer neuen Art von Lithium-Ionen-Kondensator mit metallisierten Elektroden bekannt.

Das auch als Kondensatorbatterie oder Hybridkondensator bezeichnete Gerät erreicht 100 Wh/l, was etwa fünf mal höher als bei einem herkömmlichen Lit-Io-Kondensator ist.

Das Unternehmen hatte bereits 2003 das Patent über eine ,Electrode Forming Method’ angemeldet (EP-Nr. 1548152, veröffentlicht 2005), gefolgt von einer Anmeldung im Jahr 2004 über einen ,Capacitor and Method for Manufacturing same’ (EP-Nr. 1696446, veröffentlicht 2006).

Eamex-Dünnfilm-Cap

Eamex-Dünnfilm-Cap

Bereits im Juni 2009 wird eine auf etwa 600 Wh/l verbesserte Energiedichte gemeldet. Allerdings ist der jüngste Prototyp mit nur 0,2 x 0,5 cm und einer Dicke von 31μm extrem klein. Zur Vermarktung muß seine Größe erhöht werden und eine Stapelstruktur für eine größere Kapazität entwickelt werden, weshalb das Unternehmen mit anderen Herstellern zusammenarbeiten will.

Auf der japanischen Homepage sind bereits Fotos entsprechender Versuche zu sehen – bei denen auch ein Elektroroller mit den Hybridkondensatoren angetrieben wird, weitere Informationen gibt es bislang nicht.


Lithium-Ionen-Kondensatoren
(Lithium Ion Capacitor, LIC), die bis zu dreimal mehr Energie speichern als herkömmliche Doppelschichtkondensatoren, stellt die seit 1957 bestehende japanische Petrochemie-Firma JSR Micro Inc. aus Tokio bzw. ihre US-Tochter JSR Micro Inc. in Sunnyvale, Kalifornien, her.

Diese Li-Io-Kondensatoren sind sogenannte ,Hybridkondensatoren’ mit asymmetrischen Elektroden, das heißt, spezielle Doppelschichtkondensatoren mit zwei unterschiedlich aufgebauten Elektroden.

Gemeinsam mit der im August 2007 gegründeten Firma JM Energy Corp., einem Mitglied der JSR-Gruppe, wird Ende 2008 der weltweit erste Lithium-Ionen-Kondensator entwickelt, den es als prismatische sowie als laminierte Version gibt. Er kommt unter dem Namen ULTIMO auf den Markt.


Die Firma FastCAP Systems Corp. mit Sitz in Boston, Massachusetts, wird im Jahr 2008 von dem Ingenieur und Erfinder Riccardo Signorelli, der zuvor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge an Ultrakondensatoren gearbeitet hat, und anderen gegründet. Das Unternehmen wird durch die Chesonis Family Foundation, das Massachusetts Clean Energy Center und Angel-Investoren unterstützt.

Schindall-Nanoröhrchen

Schindall-Nanoröhrchen

Die Technologie basiert auf den Arbeiten des Mitgründers Prof. Joel E. Schindall und seiner Forschungsgruppe am MIT, denen nach dreijähriger Arbeit im Jahr 2006 erstmals das Züchten von vertikalen Kohlenstoff-Nanoröhrchen direkt auf der Elektrode eines Superkondensators gelungen war. Das damalige Ziel der Wissenschaftler war, die Energiedichte von SuperCaps zu verfünffachen. Tatsächlich werden später 20 – 25 Wh/kg erreicht.

Im Oktober 2009 kann FastCap durch einen Zuschuß aus dem ARPA-E Programm des DOE in Höhe von knapp 5,35 Mio. $ mit der Entwicklung seiner neuartigen Ultrakondensator-Technologie für elektrifizierte Fahrzeug-Antriebsstränge beginnen. In Zusammenarbeit mit Prof. Schindall soll nun ein neuer, durch Nanoröhrchen verbesserter Ultrakondensator entwickelt werden, der das Potential für eine 5 – 10-fache Verbesserung der Energiedichte bei gleichzeitiger Kostenreduzierung hat.

Für die Herstellung seiner Ultracaps besitzt FastCap in seiner Fabrik in Boston eine 12 m lange maßgeschneiderte Pilotlinie.

Mit einen weiteren Zuschuß aus dem Geothermal-Technologie-Programm des DOE in Höhe von rund 2,2 Mio. $, den das Unternehmen im September 2011 erhält, soll ein innovatives Energiesystem für die Geothermie-Exploration entwickelt werden. Hieran besteht großes Interesse in der gesamten Bohrbranche, da Ultrakondensatoren auch bei sehr hohen Temperaturen bis 150°C verwendet werden können, wie sie in tiefen Bohrungen vorherrschen. Standard-Akkus wollen die Betreiber dagegen nicht verwenden, da diese Batterien unter hohen Temperaturen Feuer fangen und explodieren können.

Die neue Produktlinie kann im März 2013 auf den Markt gebracht werden – unter dem programmatischen Namen Extreme Environment (EE) Ultracapacitors. Derweil FastCap schon an der zweiten Generation der EE-Zellen arbeitet, die sicher und zuverlässig bei Temperaturen bis zu 250°C arbeiten.

Im März 2014 gibt es 5 Mio. $ Investitionsmittel von der WindSail Capital Group, mit denen FastCap seine Produktion hochfahren will.


2009 werden Kyle Good und Bryan Le, zwei Studenten der University of California als Gewinner des ,What’s Your Crazy Green Idea’-Wettbewerbs der X PRIZE Foundation verkündet – und dürfen für ihre Idee 25.000 $ einstreichen. Ihr Beitrag bildet damit die Herausforderung des nächsten, mit 10 Mio. $ dotierten X PRIZE: Der Bau eines besseren Ultrakondensators. Leider habe ich diese Information bislang noch nicht verifizieren können.


Forscher des Maryland NanoCenter an der University of Maryland um Prof. Gary Rubloff geben im März 2009 bekannt, ein 10 mal effizienteres Speichersystem entwickelt zu haben, als alles, was gegenwärtig im Handel erhältlich ist. Über diese elektrostatischen Nanokondensatoren mit ihrer drastisch erhöhten Energiespeicherdichte habe ich bereits unter Nano-Batterie berichtet (s.d.).

Das theoretische Konzept für eine Energiespeicher aus Milliarden Nanokondensatoren, der dem Rubloff-Modell sehr ähnlichen ist, und dessen Energiedichte zwei- bis zehnmal größer sein soll als die der besten Lithium-Ionen-Akkus, wird von den Physikern Alfred W. Hübler und Onyeama Osuagwu von der University of Illinois entwickelt und im Dezember 2009 veröffentlicht. Die zu erwartende Leistungsdichte des auch als digitale Quantenbatterie bezeichneten Geräts soll sogar um mehrere Zehnerpotenzen größer sein. Eine ausführliche Darstellung des Konzepts findet sich ebenfalls unter Nano-Batterie.

Aus diesem Anlaß soll darauf hingewiesen werden, daß aus der Nutzung von Quanteneffekten neue, bisher nicht erschlossene Möglichkeiten für die weitere Erhöhung der elektrischen Energie- und Leistungsdichte resultieren.

Solche Quantensuperkondensatoren (Quantum Supercapacitor, QS) weisen in ihren Elektroden Nanoocluster aus dipolaren Metalloxiden in der Rutilstruktur wie z.B. TiO2 oder TaO2 mit einer Clustergröße von etwa 7 – 30 nm auf. Auch Oxide des Al, Ta, Nb und Hf können eingesetzt werden. Die Energiespeicherung erfolgt überwiegend durch Beladen der Cluster mit Elektronen, wobei der Welle-Teilchen-Dualismus der Elektronen genutzt wird.

Die Ladungswellen der Elektronen tunneln das nanostrukturierte Material und sammeln sich im Cluster, wodurch einerseits eine hohe Energiedichte von theoretisch bis zu 480 Wh/kg und andererseits sehr schnelle Lade- und Entladezeiten erreicht werden.

Der Erfinder Alexander Mikhailovich Ilyanok aus Minsk, Weißrussland, meldet bereits 2002 das Patent über die ,Verwendung eines elektronischen Bauelements als Quantensuperkondensator ’ an (WO-Nr. 2003003466; vgl. DE-Nr. 60231879, erteilt 2009). Ein weiteres Patent unter dem Namen ,Verfahren und Gerät zur Stromspeicherung in Quantenbatterien’ bzw. ,Verfahren zur Herstellung von Superkondensatoren’ wird im Jahr 2004 von Rolf Eisenring aus Oberengstringen, Schweiz, angemeldet (WO-Nr. 2004004026, veröffentlicht 2004).

Eisenring kündigt für den Sommer 2009 zwar einen 1 Wh Prototypen an, doch lassen sich keine Spuren dafür finden, daß dies tatsächlich geschehen ist.


Über die ersten druckbaren Superkondensatoren wird im April 2009 berichtet. Prof. George Grüner von der University of California in Los Angeles (UCLA) und Prof. Yi Cui von der Stanford University hatten beschlossen, sich auf die Entwicklung eines einfachen Herstellungsverfahrens zu konzentrieren.

Gedruckter SuperCap

Gedruckter SuperCap

Gemacht werden die neuen Kondensatoren, indem in Wasser suspendierte Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Druckluftpistole auf zwei Stücke aus Kunststoff gesprüht werden, die dann zu einem Sandwich zusammengepackt werden, mit einem dünnen Film aus Polymer-Gel dazwischen, das als Elektrolyt wirkt.

In der resultierenden Vorrichtung bildet das eine Nanoröhrchen-Netzwerk die positive Elektrode, während das andere die Funktionen der negativen Elektrode übernimmt. Die Schichten sind jeweils etwa 0,6 µm dick. Das Gel wird durch Mischen von pulverförmigem Polyvinylalkohol mit Säure hergestellt. Wird dem Elektrolyten-Gel eine Spannung angelegt, dann sammeln sich die Ladungen auf der Oberfläche der Nanoröhrchen und speichern Energie.

Die Leistung des Superkondensators ist mit 70 kW/kg vergleichbar mit anderen, der Schlüssel ist jedoch, daß alles druckbar ist, wobei die verwendeten Drucktechniken spottbillige Technologien sind. Der aktuelle Prototyp hat allerdings noch nicht genug Speicherkapazität, um ein Handy zu betreiben, weshalb die Forschergruppe weiter an einer Verbesserung der Energiedichte arbeitet.

Im Mai 2010 stellt das Stanford-Team den ersten Papier-Superkondensator, der durch Drucken von Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf Papier entstanden ist.

Dabei werden die beiden Seiten eines Stücks Papier mit Polyvinylidenfluorid (PVDF) beschichtet, wodurch es als Elektrolyt und Separator-Membran funktioniert. Das behandelte Papier ermöglicht es dem ganz aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemachten Superkondensator, sich an das Papier zu binden – ähnlich wie sich Tinte aus einem Stift an Papier bindet. Der erste Prototyp zeigt auch nach 2.500 Ladezyklen nur minimale Kapazitätsverluste.

Ein Jahr später, im Mai 2011, produziert das Team asymmetrische Superkondensatoren aus einem RuO2/Graphen-Hybridmaterial, das mit einer Ni(OH)2/Graphen-Elektrode kombiniert wird. Die daraus resultierende 1,5 V Superkondensatoren mit wässerigen Lösungen zeigen eine hohe Energiedichte von ~ 48 Wh/kg bei einer Leistungsdichte von ~ 0,23 kW/kg, und eine hohe Leistungsdichte von ~ 21 kW/kg bei einer Energiedichte von ~ 14 Wh/kg.

Im Oktober folgt die Meldung, daß das Stanford-Team um Yi Cui und Zhenan Bao nun Verbundelektroden aus Graphen- und Mangan-Oxid verwendet, die in der Vergangenheit aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit nicht genutzt worden sind. Indem die Verbundelektroden entweder in eine Kohlenstoff-Nanoröhrchen- oder in eine leitfähige Polymer-Lösung getaucht werden, verbessert sich durch die Beschichtung die Leitfähigkeit der Elektroden um 20 % und ihre Kapazität sogar um 45 %.


Tests mit einem Hybrid-Bus, der mit Ultrakondensatoren ausgestattet ist, führt im April 2009 die RATP durch, das öffentliche Unternehmen, das die meisten öffentlichen Verkehrssysteme in Paris verwaltet. Der Bus vom Modell Lion City Hybrid des deutschen Herstellers MAN soll den Kraftstoffverbrauch um 20 – 25 % reduzieren. Die Ultrakondensatoren speichern genug Energie, daß der Bus mit abgeschaltetem Dieselmotor starten kann, was auch den Lärm in der Nähe von Bushaltestellen reduziert.


Im April 2009 erhält die in Oneonta, N.Y., beheimatete Ioxus Inc., eine 2006 gegründete Tochtergesellschaft der Custom Electronics Inc., rund 1,5 Mio. $ von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), um die Errichtung der Produktionsanlage des Unternehmens zu unterstützen. Als Ergebnis dieser Förderung kann das Unternehmen kurz darauf 5 Mio. $ Venture-Capital-Finanzierung akquirieren.

Ioxus-Fabrik

Ioxus-Fabrik

Die Wissenschaftler bei Ioxus haben durch die Kombination der chemischen Bestandteile von Doppelschichtkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien einen neuartigen Energiespeicher geschaffen, der die Vorteile beider Systeme, einerseits das schnelle Aufladen, und andererseits die höhere Kapazität, in sich vereint und deshalb Battercapacitor genannt wird. Während die Kapazität der Ultracaps bei 5 % des Energiegehalts von Li-Io-Batterien liegt, kann das Ioxus-Hybridsystem immerhin mehr als doppelt so viel Energie pro Volumeneinheit speichern.

Der Hybridenergiespeicher besteht aus einer geätzten Aluminiumfolie, die auf einer Seite mit Kohlenstoffschlamm beschichtet ist, ähnlich der Elektrode in üblichen Ultrakondensatoren. Die andere Elektrode, auf der anderen Seite der Folie, wird dagegen nicht mit Kohlenstoff, sondern mit einem Lithium-Ionen-Material beschichtet, wodurch die höhere Speicherkapazität entsteht. Um die fertige Vorrichtung zu machen, wird der Film anschließend in einen Zylinder gewickelt.

Die Firma baut bereits herkömmliche Ultracaps für Hybrid-Busse und Motoren mit Start-Stop-System, wobei Ioxus großen Wert darauf legt zu betonen, daß es das einzige Unternehmen ist, das seine Ultrakondensatoren vollständig in den Vereinigten Staaten entwickelt, produziert und vermarktet.

Die erste Modellreihe für Militär-, Transport- und Alternativenergie-Anwendungen kommt im August 2009 auf den Markt. Die Firma behauptet, ihre Ultrakondensatoren können etwa 30 % mehr Leistung als Konkurrenten speichern und, ebenso wichtig, sind viel kleiner.

Im März 2011 kann Ioxus in einer Finanzierungsrunde A von geplanten 18 Mio. $ immerhin 12 Mio. $ einnehmen – und schon im April bei eine Runde B weitere 21 Mio. $. Unter den angetretenen Investoren befinden sich Energy Technology Ventures (ein Joint-Venture von GE, NRG Energy und ConocoPhillips), Aster Capital (das Alstom, Schneider Electric und Rhodia repräsentiert), Braemer Energy Ventures und North Capital Management durch seinen North Intellectual Property Fund. Das Interesse ist nicht verwunderlich, denn die Produktbestellungen erhöhen sich von 2010 bis 2011 um das Siebenfache. Die Ultracaps werden bereits in Hybrid-Bussen, Gabelstaplern, Startsystemen für schwere Ausrüstungen, beim Backup für unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Rechenzentren und bei der Windkraft Pitch-Regelung eingesetzt.

iCAPs von Ioxus

iCAPs von Ioxus

Eine neue Ultrakondensator-Reihe namens iCAP mit einer Kapazität von 3.000 Farad wird im Januar 2012 erstmal vorgestellt. Im März 2013 folgen drei neuen Module (iMOD 80V/12F, 16V/500F und 48V/165F) und im Juni eine neue Zelle mit 1.200 Farad, die eine wichtige Rolle in verschiedenen Anwendungen der Automobilindustrie spielt. Im Juli erhält Ioxus in einer Finanzierungsrunde C 15 Mio. $ von seinen Investoren, zu denen neu die Westly Group hinzustößt. Der Betrag wird im April 2014 nochmals um 21 Mio. $ aufgestockt, um die Geschäftsaktivitäten in China auszubauen. Diese Runde von von International Finance Corp. angeführt, die der Weltbank angehört.

Nach Eröffnung einer zweiten Fabrik in New York in diesem Jahr soll bis Ende 2014 noch eine weitere in China hinzufügt werden. Neben den iCAP- und iMOD-Reihen bietet Ioxus auch eine ThiNCAP-Reihe von 54 V bis 216 V an. Es handelt sich um leichte prismatische Zellen im Beutel-Design und mit patentierter Entgasungs-Lüftung, hoher Leistung und hoher Energiedichte, die so ausgelegt sind, daß sie in Form von Modulen verwendet werden.


In Frankreich starten das Pariser Verkehrsunternehmen RATP und Alstom eine Ein-Jahres-Studie mit einem Superkondensator-On-Board-Energiespeichersystem (Système de Tramway à Efficacité Energétique Maximisée, STEEM), das mit Finanzierung von Predit, dem nationalen Verkehrsforschungsprogramm, und Ademe, der öffentlichen französischen Körperschaft für Umwelt- und Energiemanagement entwickelt wurde. Das System besteht aus einer Bank von 48 Superkondensator-Modulen auf dem Dach, die während Verweilzeiten an Haltestationen innerhalb von 20 Sekunden von der Oberleitung aufgeladen werden kann.

Es ist in einem von 21 Niederflurwagen des Typs Citadis 402 installiert, der von Mai 2009 bis September 2010 auf der Straßenbahnlinie T3 in Paris verkehrt und auf einem 300 m langen Teilstück stromlos fährt. Durch das Speichern eines Großteils der Bremsenergie erzielt das umgerüstete Fahrzeug eine Energieersparnis von 16 % gegenüber den nicht mit Superkondensatoren ausgestatteten Modellen.


Im Juni 2009 veröffentlicht Lux Research eine Prognose, der zufolge der Kondensator-basierte Speicher-Markt im Jahr 2014 einen Umsatz von 877 Mio. $ erzielen wird (2008: 208 Mio. $). Laut einer Studie von Frost & Sullivan belief sich der globale Markt für Supercaps im Jahr 2008 dagegen auf nur 110 Mio. $. In einem Bericht von Pike Research, der Ende 2010 erscheint, wird der weltweite Umsatz von Ultrakondensatoren im Jahr 2011 auf 28,2 Mio. $ prognostiziert und geschätzt, daß er sich bis 2016 auf etwa 284 Mio. $ verzehnfachen wird.

Ich denke, die eklatanten Unterschiede in diesen kommerziellen ,Analysen’ belegen ausreichend, daß man sie alle getrost vergessen kann...


Im Wintersemester 2009 startet an der Universität Münster eine neue Nachwuchsforschergruppe, die für die kommenden fünf Jahre vom Ministerium für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen (MIWFT) und der Universität mit insgesamt fast 1,2 Mio. € ausgestattet wird, um umweltfreundliche und sichere Superkondensatoren zu entwickeln. Dabei sollen unter der Leitung von Dr. Andrea Balducci auch die neuen Lithium-Ionen-Hybrid-Superkondensatoren erforscht werden.


Im Laufe des Jahres 2009 erprobt das nationale Korean Railroad Research Institute (KRRI) an einer U-Bahn-Anlage in Seoul die Verwendung von streckenseitigen Ultrakondensator-Modulen, um die Bremsenergie zu speichern, wobei BoostCap-Ultrakondensatoren von Maxwell Technologies zum Einsatz kommen (s.o.).

Einer Meldung vom März 2014 zufolge haben die Metro-Betreiber in Seoul, Daejeon und Incheon, mit der Ultrakondensator-Bremsenergierückgewinnungstechnik von Maxwell Energieeinsparungen von mehr als 20 % erreicht. Woojin Industrial Systems hatte rund 200 Stück der 48 V Mehrzellen-Ultrakondensator-Module in 750 V und 1,5 kV Energierückgewinnungs-Systeme an sieben U-Bahn-Stationen sowie dem Korea Train eXpress Depot in Seoul installiert. Weitere Installationen sind für 2014/2015 geplant.


Im Jahr 2009 beginnt ein auch BMBF-Projekt unter dem Titel ,KMU-innovativ - Supercap - Synthese und Funktionaliserung von Kohlenstoffnanoröhren für die Verwendung in Elektrodenmaterial von Superkondensatoren’, bei dem die Firma Brandenburgische Kondensatoren GmbH (BK) in Prenzlau an der Entwicklung von Superkondensatoren gearbeitet wird.

Zwar werden auf der Homepage des Unternehmens zwei Prototypen gezeigt, doch nähere Informationen zum Verlauf des Projektes, zu seinem Finanzumfang und zu der Frage, ob es gelungen ist, irgend etwas in die Produktion zu überführen, sind nicht zu finden.


Auch bei der von Bor Jang und Aruna Zhamu gegründeten Angstron Materials Inc., einer Spezialfirma für Nano-Graphen-Technologie mit Produktionsstätte in Dayton, Ohio, wird ein auf Graphen basierender Superkondensator mit extrem hoher Energiedichte erfunden, wie das Unternehmen im November 2010 mitteilt.

Die Firma, eine Tochter der Nanotek Instruments Inc., behauptet, daß ihre Entwicklung die spezifische Energiedichte Graphen-fähiger Superkondensatoren auf das bislang beispiellose Niveau von 85,6 Wh/kg bei Raumtemperatur, und 136 Wh/kg bei 80°C angehoben hat. Außerdem zeigen die Graphen-Monoschichten eine höhere elektrische Leitfähigkeit als sogar Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Kohlenstoff-Nanofasern. Da die Elektroden etwa ein Drittel der Gesamtmasse der münzgroßen Kondensatorzellen ausmachen, liegt die Kapazität des Prototyps effektiv bei rund 28 Wh.

Nanotek-Graphen

Nanotek-Graphen

Den Nanotek-Ingenieuren gelingt es nun, Graphen in einer Form zu produzieren, die an zerknülltes Papier erinnert, was die Überlappung deutlich reduziert. Bei dem gegenwärtigen Prototyp nimmt die Kapazität allerdings bereits nach 500 Zyklen um ein Zehntel ab.

Im Juni 2011 wird daraufhin die Schwesterfirma Angstron Supercapacitor Co. (AS) aus der Taufe gehoben, welche das neue, überlegene Superkondensator-Elektrodenmaterial produzieren soll, welches auf dem US-Patent Nr. 7.623.340 basiert.

In einer Veröffentlichung vom August stellen die beiden Forscher ein neues Gerät vor, das sie ,Graphen-Oberflächenaktivierte Lithium-Ionen-Austausch-Zelle’ (Graphene Surface-Enabled Lithium Ion-Exchanging Cell) bzw. kurz ,oberflächenvermittelte Zelle’ (Surface-Mediated Cell, SMC) bezeichnen.

Obwohl die neuen Vorrichtungen noch keine optimierten Materialien und Konfigurationen verwenden, übertreffen sie bereits die bisherigen Li-Io-Batterien und Superkondensatoren. Den Wissenschaftler zufolge wird eine Leistungsdichte von 100 kW/kg erreicht, die damit 100 mal höher liegt als die kommerzieller Li-Io-Batterien, und immerhin noch 10 mal höher als die gegenwärtiger Superkondensatoren. Darüber hinaus können die neuen Zellen eine Energiedichte von 160 Wh/kg speichern, was mit Li-Io-Batterien vergleichbar ist – und sogar 30 mal mehr ist als bei herkömmlichen Superkondensatoren.


Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) werden laut Meldungen im Januar 2010 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 100.000 € gefördert, um unter der Leitung Prof. Horst Beige Superkondensatoren für die Energiespeicherung nutzbar zu machen (Forschungsprojekt ,Super-Kon’).


Über die Firma AFS Trinity Power Corp. in Bellevue, Washington, die Schnellspeicher-Systeme für Fahrzeuge und Raumfahrzeuge sowie stationäre Energiesysteme unter Verwendung von Superkondensatoren, Batterien und Schwungrädern entwickelt, berichte ich ausführlich unter den mobilen Anwendungen 2008 sowie unter Schwungradspeicher im Verkehrswesen (s.d.).

Im Januar 2010 demonstriert AFS Trinity seine Prototypen, und im Juni wird dem Unternehmen endlich sein bereits im September 2006 beantragtes Patent erteilt (US-Nr. 7.740.092) – danach scheint es allerdings nicht mehr weiter gegangen zu sein, denn aktuellere Informationen gibt es nicht.


In einem Bericht von ERN Research, der im Februar 2010 erscheint (,Ultracapacitors: Emerging Technologies for High-Power Energy Storage’ ), werden 15 Startups aufgelistet, die das Potential für Durchbrüche in der Ultrakondensator-Technologie haben, 27 Hersteller und 29 andere Unternehmen, die Ultrakondensatoren neu entwickeln, sowie 52 Forscher auf der ganzen Welt, welche die bisherigen Grenzen der Technologie weiter hinausschieben wollen. Für eine Einzellizenz müssen allerdings 1.995 $, und für eine Unternehmenslizenz sogar 3.495 $ berappt werden.


Im gleichen Monat demonstriert die Mitsubishi Electric Corp. zwei Prototypen einer Hybrid-Energiespeicherzelle, welche die schnelle Lade/Entlade-Leistungsfähigkeit und die lange Lebensdauer eines Doppelschicht-Kondensators mit der höheren Energiespeicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien in einer einzelnen Zelle kombiniert.

Der eine Prototyp ist eine 3 x 3 cm große 10 Wh Einheit, die als Machbarkeitsnachweis entwickelt wurde, während der andere eine 6 x 9 cm große, flache und gewundene Einheit mit einer Leistungs- und Energiedichte von 3 kW/kg resp. 60 Wh/kg ist.


Forscher der Drexel University in Philadelphia um Prof. Yury Gogotsi berichten im April 2010 darüber, daß es möglich ist, mit einer aus der Halbleiter-Produktion stammenden Technik Dünnfilm-Superkondensatoren aus Kohlenstoff herzustellen, die bis zu dreimal mehr Energie speichern als herkömmliche Modelle (vgl. EP-Nr. 2024981 von 2009).

Drexel-Ultracap

Dünnfilm-Supercap

Das Gogotsi-Team, das bereits seit mehreren Jahren an der neuen Technologie arbeitet, nutzt die chemische Gasphasenabscheidung um auf der Oberfläche eines Silizium-Wafers einen Dünnfilm aus einem Metallcarbid wie z.B. Titancarbid zu erzeugen, der anschließend chloriert wird, um das Titan zu entfernen. Übrig bleibt ein poröser Kohlenstoff-, der überall dort, wo ein Titanatom war, eine kleine Pore enthält. Dieser Film wirkt wie ein molekularer Schwamm, bei dem jede Pore so groß wie ein einzelnes Ion ist.

Im Versuch zeigt sich, daß das so entstandene Bauelement am effizientesten arbeitet, wenn die Dicke des Kohlenstoffmaterials 50 µm beträgt. Außerdem soll es zumindest theoretisch kein Limit geben, was die Größe der so produzierten Dünnfilme anbetrifft. Vorstellbar ist daher, die neuen Dünnfilm-Energiespeicher direkt in Funkchips einzubauen oder sie auf der Rückseite von Solarzellen sowohl in tragbaren Geräten als auch auf dem Dach zu installieren.

Dünnfilm-Superkondensatoren werden schon seit längerem erforscht, allerdings war es bislang nicht gelungen, eine adäquate Speicherkapazität zu erreichen, die sich auch in die Serienproduktion überführen läßt. Aus diesem Grund läßt sich die 2004 gegründete Firma Y-Carbon Inc. In Bristol, Pennsylvania, die Technik der Drexel University lizenzieren und arbeitet an der Kommerzialisierung. Was wohl nicht so ganz erfolgreich ist, denn im April 2013 meldet das Unternehmen Konkurs an.

Im August 2010 folgt die Meldung, daß das Gogotsi-Team gemeinsam mit Prof. Vadym Mochalin von der Drexel University und weiteren Kollegen um Prof. Patrice Simon von der Université Paul Sabatier in Toulouse, Frankreich, der sich seit 1996 mit Supercaps beschäftigt, zwischenzeitlich einen Mikro-Superkondensator mit bemerkenswerten Eigenschaften entwickelt habe, der nur wenige Mikrometer dick ist.

Dabei verwenden die Forscher Elektroden aus mikroskopisch kleinen Kohlenstoff-Partikeln, bei denen jedes einzelne Teilchen aus konzentrischen Kugeln aus Kohlenstoffatomen besteht, ähnlich den Schichten einer Zwiebel. Für ihren Prototyp heizen sie ein kohlenstoffreiches Pulver auf rund 1.800°C auf, wobei sich Nanozwiebeln mit 6 - 7 nm im Durchmesser bilden, in denen sich 10 - 15 Grafitschichten übereinander lagern.

In einem elektrischen Feld werden mit Hilfe der Elektrophorese dann Tausende dieser Nanozwiebeln auf einer Siliziumdioxidfläche abgelagert und anschließend mit Goldelektroden kontaktiert. Das Verfahren erfordert kein Polymerbindematerial, um die Elektroden zusammen zu halten, was die Elektrodenleitfähigkeit und die Lade/Entlade-Rate weiter verbessert. Die entstandenen Mikro-Superkondensatoren können ihre Energie daher innerhalb von Millisekunden liefern, viel schneller als jede andere heute verwendete Batterie oder Superkondensator. Dabei können Spannungspulse von bis zu 200 V/s bei einer Leistungsdichte von knapp 1 kW/cm2 abgegeben werden.

Den Prototypen eines Superkondensators, der selbst bei extrem tiefen Temperaturen bis -50°C Energie speichern kann, stellt das internationale Team im März 2013 vor. Bislang erhältliche Modelle scheitern spätestens ab Temperaturen unterhalb -25°C. Um die neue Fähigkeit zu erreichen, wird eine mit Graphen umschichtete Anode mit einem Elektrolyten aus verschiedenen flüssigen ionisierten Metallsalzlegierungen kombiniert. Die verwendeten organischen Elektrolyte zeichnen sich bei tiefen Temperaturen durch eine sehr geringe Viskosität und somit einen kleinen Widerstand gegen den Ionenstrom aus. Diese neuen Supercaps könnten ihre Stärken besonders in der Luft- und Raumfahrt ausspielen.


Meldungen im Juni 2010 besagen, daß die Ingenieure George Chen und Christian Klumpner der Nottingham University eine neue Generation von Super-Batterien entwickeln, wobei sie mit insgesamt 1,1 Mio. £ von der E.ON unterstützt werden.

Die Wissenschaftler bündeln Know-how in elektrochemischen Techniken und Leistungselektronik, um eine Supercapattery genannte Energiespeicherlösung zu entwerfen, welche die Vorteile eines Superkondensators mit denen einer Batterie verbindet. Das System basiert auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die chemisch mit Manganoxid behandelt sind, und soll einen Wirkungsgrad von 80 % erreichen.


Im September 2010 erhalten Forscher der Rensselaer Polytechnic Institute in New York von der National Science Foundation eine Summe von 2 Mio. $ für die Durchführung einer vierjährigen Untersuchung über den Einsatz neuer, nanotechnologisch beeinflußter keramischer Materialien für die Energiespeicherung. Diese neuen Nano-Keramiken werden als Schlüsselkomponenten der nächsten Generation von Kondensatoren betrachtet.

Das Rennsselaer-Team unter der Leitung von Prof. Doug Chrisey wird mit dünnen Schichten aus einem neuen Verbundwerkstoff aus Glas und ferroelektrischem Nanopulver arbeiten, wobei das Glas alkalifrei ist und eine niedrige Schmelztemperatur hat, was dem Kondensator erlaubt, mit hohen elektrischen Feldern umgehen zu können. Das Ergebnis ist ein kleines, leichtes, effizientes und im Grunde ewig anhaltendes Gerät.


Im September 2010 wird der in Tartu, Estland, beheimateten und im Vorjahr gegründeten Energiespeicher-Firma OÛ Skeleton Technologies ein US-Patent für ihr nanoporöses Kohlenstoffpulver-Material zur Herstellung von Superkondensatoren erteilt (US-Nr. 7.803.345, noch unter dem Namen der HLR Development OU, angemeldet 2005). Das Unternehmen war im Jahr 2009 neu strukturiert worden; bis dahin fungierte als privates Forschungszentrum, das Auftragsforschung für Unternehmen wie die Toyota Motor Co., Samsung SDI und andere durchführte.

Skeleton-Patent Grafik

Skeleton-Patent
(Grafik)

Bei der Kerninnovation handelt es sich um ein Kohlenstoffmaterial, das aus Metall oder Metalloidcarbid hergestellt ist und auch als Carbide-Derived Carbon (CDC) oder SkeletonC bezeichnet wird. Dem Unternehmen zufolge können seine Superkondensatoren auf Grundlage des neuen Materials bei gleichem Gewicht und Volumen mehr Strom liefern als alle anderen auf dem Markt befindliche Modelle. Die Leistungsdichte beträgt mehr als 30 kW/kg bzw. 45 kW/l, während die Energiedichte über 8 Wh/kg bzw. 12 Wh/l beträgt.

Im Jahr 2011 meldet die Firma eine ganze Reihe an Patenten an, sowohl in den USA als auch in Europa, die alle 2013 veröffentlicht werden, bislang aber noch nicht erteilt worden sind (siehe: EP-Nr. 2564404, 2614512, 2616564 und 2633532, woher die Abbildung stammt). Die Skeleton-Superkondensatoren haben bereits erste Tests von Experten und Großunternehmen bestanden, und die Firma plant, im Jahr 2013 mit der Produktion zu beginnen.

Tatsächlich wird im Juni 2012 die SkelCap Ultrakondensatoren-Serie mit sehr hohen Leistungsdichten von mehr als 40 kW/kg und Energiedichten von bis zu 10 Wh/kg vorgestellt (2,47 kW bis 12,53 kW).

Im März 2013 gründet Skeleton die Tochtergesellschaft Skeleton Technologies GmbH in Dresden, Deutschland, und im April erhält das Unternehmen in einer Finanzierungsrunde A Investitionsmittel in Höhe von 2,2 Mio. €, mit denen die Produktion erweitert werden soll. Hauptinvestor ist die UP Invest AS, unter den weiteren Investoren findet sich die Holdinggesellschaft Aifal. Außerdem gibt es Zuschüsse von der Archimedes-Stiftung und Enterprise Estonia.

Auf der Skeleton-Homepage werden zu diesem Zeitpunkt zwei Modellreihen angeboten: SkelCap High Energy sowie SkelCap High Power (250 F bis 3.500 F). Außerdem informiert das Unternehmen darüber, daß es bereits als Zulieferer für die Fahrzeugindustrie und weitere Industriesparten sowie für die Europäische Raumfahrtagentur tätig ist.

Im Januar 2014 erhält Skeleton nicht näher bezifferte Mittel aus dem estnisch-norwegischen Kooperationsprogramm ,Green Innovation Estland’, um die nächste Generation von ,intelligenten’ Ultrakondensator-Modulen zu entwickeln. Um die Module in Norwegen zu testen wird die norwegische Firma NX Tech ausgewählt, die darauf spezialisiert ist, neue Technologien auf den Markt zu bringen.

Im April gibt es für die Skeleton Technologies GmbH Geld aus dem Förderprogramm ,Gemeinschaftsaufgabe Verbesserung der regionalen Wirtschaftsstruktur’ (GRW) des Freistaates Sachsen, um die Ansiedlung des estnischen Unternehmens zu unterstützen. Skeleton will in Sachsen eine Produktion in zwei Schritten aufbauen: Eine erste Produktionsanlage wird im Technologie- und Gründerzentrum Bautzen in Betrieb genommen, während parallel dazu, und innerhalb von anderthalb bis zwei Jahren, eine neue Produktionshalle im Gewerbegebiet Radeburg Süd errichtet wird. Das Investitionsvolumen für beide Ausbaustufen zusammen beträgt 13,6 Mio. €. Damit will es Skeleton in drei Jahren bis zum europäischen Marktführer schaffen.

Was sogar möglich ist, wenn die Aussagen stimmen, daß Skeletons Ultrakondensatoren 50 – 80 % billiger und 2 – 4 mal kleiner und leichter sind als die Konkurrenzprodukte.


Im März 2011 erklärt Tesla-Chef Elon Musk auf dem Cleantech Forum in San Francisco, daß er auf Superkondensatoren wetten würde, und nicht auf Batterien, um einen Durchbruch bei Elektrofahrzeugen zu erreichen.


Ebenfalls im März 2011 berichtet die Presse über einen extrem schnell ladenden Akku, der von Forschern der University of Illinois inUrbana-Champaign um Prof. Paul V. Braun entwickelt wurde. Ihr Modell verbindet die Kraft eines Kondensators mit der Energie einer Batterie. Ich habe das System bereits ausführlich unter Dünnschicht-Batterie beschrieben (s.d.).


Graphen-Papier

Graphen-Papier

Im Mai 2011 stellt ein Team um Prof. Guoxiu Wang und Ali Reza Ranjbartoreh an der University of Technology Sydney (UTS) eine Art Graphen-Papier vor, das zwei mal härter, die 13-fache Biegesteifigkeit und die 10-fache Zugfestigkeit von Stahl hat, und doch sechs mal leichter und fünf- bis sechs mal weniger dicht ist.

Das bis 2013 laufende und durch einen Zuschuß des Australian Research Council finanzierte Forschungsprojekt startet unter dem Titel ,Graphen - das Elektromaterial mit neuer Perspektive für wiederaufladbare Lithium-Batterien und Superkondensatoren’, und das Patent wird gemeinsam von der UTS und der australischen Regierung angemeldet.

Dies gelingt, indem Rohgraphit durch Reinigen und Filtrieren mit Chemikalien gemahlen wird, um es in Form von Graphen-Nanoschichten neu zu gestalten und zu reformieren.


Im August 2011 meldet die Fachpresse, daß ein Team um Prof. Pulickel M. Ajayan an der Rice University in Houston, Texas, Laser nutzt, um Superkondensatoren auf Blätter aus Graphit-Oxid (GO) zu schreiben – der oxidierten Form von Graphit, wie es allgemein als Kohlenstoff-Bleistiftmine bekannt ist.

Die Wissenschaftler wußten bereits, daß die Hitze eines Lasers das GO in elektrisch leitendes reduziertes Graphit-Oxid (RGO) konvertieren kann, doch indem mit einem Laser RGO-Muster mit fast einem Mikrometer Genauigkeit in die dünne GO-Platte geschrieben werden, gelingt es, einen Bogen aus GO in einen funktionierenden Superkondensator zu verwandeln, der über Tausende von Zyklen Energie speichern und freigeben kann.

Die überraschende Entdeckung ist nämlich, daß GO, wenn es Wasser enthält, Ionen halten – und damit als Festelektrolyt und elektrisch isolierender Separator dienen kann. Das GO saugt Wasser an wie ein Schwamm, und kann bis zu 16 % seines Eigengewichts davon aufnehmen. Test der Geräte an der Rice University und durch Kollegen der University of Delaware belegen, daß ihre Leistung dem Vergleich mit bestehenden Dünnschicht-Mikrosuperkondensatoren standhält. Die Forschung wird von der Nanoholdings LLC finanziert.

Ein zweites Team der Rice University um Robert Hauge, das im selben Monat von sich reden macht, arbeitet an einem Nanoröhrchen-basierten Superkondensator.

Die Gruppe um Prof. Ajayan kommt im September 2013 wieder in die Presse, als sie einen Bericht über die Entwicklung eines Superkondensators veröffentlicht, der bei hohen Temperaturen bis zu 200°C und gegebenenfalls darüber hinaus arbeitet und sich damit für den Einsatz in extremen Umgebungen eignet, wie z.B. bei Bohrungen, beim Militär und in der Raumfahrt.

Besonders interessant ist, daß der neue Superkondensator als wichtigen Bestandteil das reichlich vorhandene und billige Naturmaterial Lehm (Ton) enthält. Man hatte nämlich herausgefunden, daß ein Ton-basierter Membranelektrolyt einen grundlegenden Durchbruch bedeuten kann, da er eine der wichtigsten Einschränkungen des Hochtemperatur-Betriebs von elektrochemischen Energiegeräten überwindet.

Ajayan-Lehm-Supercap Montage

Ajayan-Lehm-Supercap
(Montage)

Bislang haben die Forscher insbesondere darum gekämpft, einen Elektrolyt zu finden, der die Ionen zwischen die Elektroden einer Batterie führt, aber nicht zusammenbricht, wenn die Hitze steigt. Eine weitere Herausforderung war die Suche nach einem Separator, der bei hohen Temperaturen nicht schrumpft und zu Kurzschlüssen führt. Die Innovation war daher, ein unkonventionelles Elektrolyt/Separator-System zu identifizieren, das bei hohen Temperaturen stabil bleibt.

Die Rice-Forscher lösen beide Probleme auf einmal. Zunächst untersuchen sie die Verwendung von ionischen Raumtemperatur-Flüssigkeiten (Room-Temperature Ionic Liquids, RTILs), die im Jahr 2009 von europäischen und australischen Forschern entwickelt worden sind. Ionische Flüssigkeiten weisen bei Raumtemperatur eine niedrige Leitfähigkeit auf, werden aber immer weniger viskos und stärker leitend, wenn die erhitzt werden.

Lehm wiederum zeichnet sich durch hohe thermische Stabilität, hohe Sorptionsfahigkeit, hohe Durchlässigkeit und eine große aktive Oberfläche aus. Er wird an häufigsten in Schlämmen für die Ölförderung, als Bindemittel in Eisen- und Stahlgießereien, im modernen Bauwesen und in der Medizin verwendet. Nach dem Kombinieren gleicher Mengen von RTIL und natürlich vorkommendem Bentonit-Ton zu einer Verbundpaste, klemmen die Forscher diese zwischen Schichten aus reduziertem Graphen-Oxid und zwei Stromabnehmer, um einen Superkondensator zu bilden.

Tests und anschließende elektronenmikroskopische Aufnahmen der Vorrichtung zeigen keine Veränderungen in den Materialien nach dem Aufheizen auf 200°C, und sogar bei 300°C können nur sehr wenige Änderung festgestellt werden. Die Ionenleitfähigkeit steigt fast linear an, bis das Material eine Temperatur von 180°C erreicht, um sich dann bei 200°C zu stabilisieren. Trotz eines leichten Rückgangs der Kapazität in den ersten Lade/Entlade-Zyklen bleiben die Superkondensatoren über 10.000 Testzyklen stabil. Sowohl Energie- als auch Leistungsdichte verbessern sich um zwei Größenordnungen, wenn sich die Betriebstemperatur von Raumtemperatur auf 200°C erhöht.

Das Team führt seine Entdeckung auch noch einen Schritt weiter und kombiniert die RTIL/Ton-Mischung mit einer kleinen Menge von thermoplastischem Polyurethan, um eine Membranfolie zu bilden, die in verschiedenen Formen und Größen geschnitten werden kann und eine hohe Design-Flexibilität für Geräte ermöglicht. Durch den sicheren Betrieb über einen weiten Temperaturbereich könnte sogar die Notwendigkeit für teure Wärmemanagement-Systeme obsolet werden, hoffen die Wissenschaftler.


Ebenfalls im August 2011 wird berichtet, daß einem japanischen Forscherteam um Dinglin Jiang vom National Institute of Natural Sciences in Okazaki, Japan, ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem perfekten Material für Superkondensatoren gelungen sei.

Eine Stoffklasse mit interessanten Eigenschaften sind spezielle gerüstartig aufgebaute und mikroporöse organische Polymere. Da sich ein Teil ihrer Elektronen aufgrund der Anordnungen ihrer Doppelbindungen in ausgedehnten Bereichen des Gerüsts frei bewegen kann, sind solche Materialien elektrisch leitfähig.

Das Team synthetisiert ein stickstoffhaltiges Gerüst, dessen Porengröße optimal ist, um Ionen rasch hinein- und hinauszulassen. Zudem treten die Stickstoffzentren mit den Ionen des Elektrolyten in Wechselwirkungen, was die Ansammlung von Ladungen und die Bewegung von Ionen begünstigt.


Im September 2011 berichten die Fachblogs, daß ein Forschungsteam um Dr. Xie Xian Ning an der National University of Singapore im Rahmen einer Nanotechnologie-Initiative (Nanoscience and Nanotechnology Initiative, NUSNNI) die weltweit erste Energiespeicher-Membran entwickelt hat. Darüber habe ich bereits unter Plastik- und Polymerbatterien berichtet.


Im Oktober 2011 entscheidet sich die Regierung von Hong Kong dafür, 36 neue Einzeldecker-Busse für insgesamt 180 Mio. $ zu kaufen. Davon sind 28 Stück konventionelle Elektrobusse, während die übrigen 8 Busse mit Superkondensatoren ausgerüstet sind, die an jeder Haltestelle wieder aufgeladen werden.

Und als der spanische Schmalspur-Betreiber FEVE im gleichen Monat eine Straßenbahn vorstellt, die von zwei 12 kW Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben wird, und 20 – 30 Passagiere mit bis zu 20 km/h transportieren kann und voraussichtlich 2012 in Asturias in den kommerziellen Betrieb gehen wird, betont das Unternehmen, daß die während des regenerativen Bremsens produzierte Energie in drei HTM125 Superkondensator-Modulen von Maxwell gespeichert wird.


An der Kommerzialisierung eines Lithium-Ionen-Hochenergie-Superkondensators, der von Prof. Jim P. Zheng an der Florida State University (FSU) erfunden worden ist, arbeitet die im November 2011 in Tallahassee, Florida, von eben diesem Prof. Zheng gegründete Firma General Capacitor LLC.

Es dauert allerdings bis zum Februar 2013, bis die Lizenzvereinbarung zwischen der FSU und dem neuen Unternehmen unterzeichnet wird. Nun soll die Erfindung innerhalb von 2 – 3 Jahren in marktfähige Produkte umgesetzt werden, wobei die Firma auch weiterhin mit der Universität zusammenarbeitet.

Im Mai 2014 belegt General Capacitor den ersten Platz des jährlichen Zuschuß-Programms für Technologie-Kommerzialisierung in Tallahassee und steckt 15.000 $ ein. Mehr ist über die Firma bislang noch nicht in Erfahrung zu bringen.


Auf der Tokyo Motor Show im Dezember 2011 präsentiert Mazda in seinem Konzeptfahrzeug Takeri das „weltweit erste“ regenerative Bremssystem für Pkw, das mit einem Kondensator arbeitet.

i-ELOOP

i-ELOOP

Es besteht aus einem variablen 12 – 25 V Generator, einem speziell für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelten elektrischen Doppelschicht-Kondensator und einem Gleichstrom-Spannungswandler.

Das System namens i-ELOOP (Intelligent Energy Loop) wandelt die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie um und versorgt damit die Klimaanlage, das Audiosystem und zahlreiche weitere elektrische Komponenten.

Es soll ab 2012 in Mazda-Fahrzeugen zum Einsatz kommen und den Kraftstoffverbrauch unter Alltagsbedingungen mit häufigem Wechsel zwischen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen um rund 10 % senken. Im neuen Mazda Demio werden dazu regenerative Bremssysteme eingebaut, die EDLC des Herstellers NCC als Speichermedium verwenden, welche KFZ-tauglich gemacht wurden, indem die Kondensatoren für eine Temperaturfestigkeit bis 70°C und für eine erhöhte Vibrationsfestigkeit weiterentwickelt und mit einem umweltverträglichen Elektrolyten versehen wurden.

Der genannte Hersteller Nippon Chemi-Con (NCC) aus Japan hatte bereits 1995 gemeinsam mit Isuzu Motors mit der Forschung und Entwicklung angefangen, 1997 beginnt die Prototypenfertigung und im Jahr 1998 die Massenproduktion von sowohl spiralgewundener als auch prismatischer Zellen bis 3.000 F.

Im September 2012 ist allerdings zu erfahren, daß das i-ELOOP-System sein Debüt erst beim Mazda 6 im Jahr 2014 haben wird.


Im Februar 2012 berichtet ein Team um Prof. Woong Kim an der Korea University, das mit Kollegen der Konkuk University und des Korea Institute of Energy Research zusammenarbeitet, daß eine neu entwickelter Elektrolyt, der auf einer ionischen Flüssigkeit und Siliciumdioxid-Gel basiert, sowohl die Energie- als auch die Leistungsdichte von flexiblen Superkondensatoren deutlich verbessert.

Als Elektrodenmaterialien und Trägersubstrate werden flexible Kohlenstoff-Nanoröhrchen und normales Büropapier verwendet, was den gesamten Superkondensator biegbar macht. Die Leistung der Vorrichtung ist vergleichbar mit der von Superkondensatoren mit ionischen flüssigen Elektrolyten. Das Team entwickelt den gelartigen Elektrolyten zum Einsatz bei flexiblen Energiespeichern für potentielle Anwendungen wie der ,tragbaren Elektronik’.


Eine Forschungsgruppe an der University of California in Los Angeles, die von dem Studenten F. Maher El-Kadyh geleitet und von Prof. Richard B. Kaner überwacht wird, zeigt im März 2012, daß eine normale, mit Graphit-Oxid vorbehandelte DVD mit einem handelsüblichen LightScribe-Laufwerk zum Beschriften von DVDs zu einer erstaunlich akkuraten Komponente für einen Graphen-basierten Superkondensator verwandelt werden kann.

Aufbau des Graphen-Superkondensators Grafik

Schematischer Aufbau des
Graphen-Superkondensators

(Grafik)

Durch die Verwendung von Graphen anstelle von Aktivkohle erreichen die Selbsbau-Elektroden in dem Superkondensator ein hohes Maß an Leitfähigkeit und haben gleichzeitig eine größere Fläche, so daß sie mehr Energie speichern können. Der Graphen-Superkondensator speichert so viel Ladung wie herkömmliche Batterien, kann aber hundert bis tausendmal schneller geladen und entladen werden.

Zur Fertigung des Graphen-Superkondensators wird einfach herzustellendes Graphit-Oxid (GO) in flüssiger Form auf eine PET-Folie aufgetragen, die eine ganz normale DVD bedeckt. Die Scheibe wird dann in das LightScribe-Laufwerk eingelegt, dessen 5 mW Laser in mehreren Durchläufen aus der Graphitoxidschicht ein einlagiges Graphen-Netz erzeugt. Wenn die LightScribe-Vorgang beendet ist, kann die PET-Folie einfach von der DVD abgelöst werden - mitsamt einer intakten, Atom-dicken Graphen-Schicht, und buchstäblich mit einer Schere in Form geschnitten werden. Zwei dieser Platten, mit einem Elektrolyten dazwischen, bilden dann den Superkondensator.

Die speziell verzahnten Strukturen eignen sich hervorragend zur Herstellung winzig kleiner Superkondensatoren, die auch Micro Supercapacitors (MSC) genannt werden. Auf einer einzigen DVD können in weniger als 30 Minuten über 100 MSCs erzeugt werden.

Die LSG-Elektroden (Laser Scribed Graphene) haben eine Oberfläche von 1.520 m2/g, was drei- bis fünfmal mehr ist als bei den Kohleelektroden herkömmlicher Superkondensatoren. Mit mehr als 1.700 S/m zeigen sie eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als aktivierter Kohlenstoff mit gerade einmal 10 – 100 S/m, weshalb ein LSG-Kondensator sehr schnell geladen und entladen werden kann, und eine Leistungsdichte von etwa 2.800 kW/kg erreicht.

Mit den passenden Elektrolyten erreichen die Prototypen eine Energiedichte von über 600 Wh/kg, was etwa der vierfachen Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus entspricht. Zudem sind die Teile mechanisch sehr robust und überstehen tausendfaches Durchbiegen ohne Kapazitätsverlust. Und auch nach 10.000 Lade- und Entlade-Vorgängen werden immer noch 96 % der Ausgangskapazität gemessen.

Genau ein Jahr später, im März 2013, berichten die Forscher über Verbesserungen dieser Herstellungsmethode, die den Weg in Richtung eines kommerziellen Produktes ebnen.

Außerdem ist das Kurzporträt ,The Super Supercapacitor von Brian Golden Davis einer der Finalisten der mit 200.000 $ dotierten GE FOCUS FORWARD Filmmaker Competition, gehört aber nicht zu den vier Gewinnern, die auf dem 2013 Sundance Film Festival bekannt gegeben werden.


Über neue Erkenntnisse zu den Lademechanismen auf molekularer Ebene, die für die Entwicklung von Super-Kondensatoren von Bedeutung sein könnten, berichtet ein Forscherteam um Mathieu Salanne vom Labor für physikalische Chemie der Elektrolyte, Kolloiden und analytische Wissenschaften (Physicochimie des électrolytes, colloïdes, et sciences analytiques, PESCA) in Paris im März 2012.

In Zusammenarbeit mit dem universitätsübergreifenden Zentrum für Forschung und Materialwesen (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux, CIRIMAT) in Toulouse und den Universitäten Oxford und Drexel in Philadelphia gelingt es, den Mechanismus von Superkondensatoren auf molekularer Ebene zu beschreiben und zum ersten Mal mit numerischen Simulationen quantitativ abzubilden.


Über persönliche Korrespondenz werde ich auch auf das im Juni 2012 beantragte Patent über ,Kombinationselemente für Elektrizitätsspeicher’ der Firma ELE Energy Elements GmbH in Wiesbaden aufmerksam gemacht (DE-Nr. 102012012894, veröffentlicht 2014), wobei sich allerdings noch keine Spuren einer Umsetzung finden lassen.


Als die deutsche Firma Siemens Rail Systems im Juli 2012 einen auf über 100 Mio. € geschätzten Auftrag für die Entwicklung einer 11,5 km langen oberleitungsfreien Straßenbahn in Doha erhält, wird hierfür eine Flotte von 19 dreiteiligen Avenio Niederflur-Straßenbahnen mit einer Kapazität von jeweils 239 Passagieren vorgesehen, die mit Sitras Hybrid-Energiespeichereinheiten (Hybrid Energy Storage, HES) ausgestattet sind, welche aus Doppelschicht-Kondensatoren und einer Traktionsbatterie bestehen. An jeder der 25 Haltestellen werden die HES-Einheiten von dort installierten 750 V DC Deckenstromschienen aufgeladen. Die Eröffnung der Linie ist für Ende 2015 geplant.

Im Juni 2013 wird gemeldet, daß Siemens nun auch – und zum ersten Mal in den USA – ein regeneratives Bremsenergiespeichersystem von Sitras auf der neuen TriMet Portland-Milwaukie Light Rail Transit Linie installiert, und zwar am Standort des Tacoma-Umspannwerks im Südosten Portlands. Das System zielt in erster Linie darauf ab, die Spannung zu stabilisieren. Auch die Inbetriebnahme dieses Systems ist für 2015 geplant.


Ebenfalls im Juli 2012 wird darüber berichtet, daß Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken neuartige Doppelschichtkondensatoren mit hoher Energiedichte entwickeln wollen, indem sie die Struktur des Materials und die Materialzusammensetzung verändern.

Im dem fünfjährigen Forschungsprojekt ,nanoEES3D’, das vom BMBF mit rund 3 Mio. € gefördert wird, soll untersucht werden, wie das Zusammenspiel von Oberflächenstruktur und Poren von Hochleistungskohlenstoffen für den schnellen Transport von Ionen zu verbessern ist. Am Ende des Projekts sollen neue Materialkonzepte und Synthesewege für hochoptimierte Speicherzellen zur Verfügung stehen.


Daß Forscher der University of West Florida um Prof. Ezzat Bakhoum an einem Ultrakondensator arbeiten, der eine fast konstante Spannung hält, wird im Juli 2012 berichtet.

Bakhoum Ultrakondensator

Bakhoum
Ultrakondensator

Sowohl in Standardkondensatoren als auch in Ultrakondensatoren fällt die Spannung ab, sobald die gespeicherte Ladung freigegeben wird. Da die meisten elektronischen Geräte für ihren Betrieb jedoch eine konstante Spannung benötigen, wird häufig ein DC-DC-Wandler eingesetzt, der die fallende Spannung des Kondensators in eine konstante Ausgangsspannung wandelt. Bei unter einem Volt treten dabei jedoch Probleme auf, dabei wird sogar ein wesentlicher Teil der Energie in Ultrakondensatoren unter einem Volt gehalten.

Bakhoum konzipiert daher einen Ultrakondensator, der auch ohne DC-DC-Wandler eine nahezu konstante Spannung hält, indem ein elektromechanisches System mittels Schrittmotor und Spindel den Kern des Gerätes langsam aus der Elektrolytlösung hebt, während die gespeicherte Energie freigegeben wird.

Da der Elektrolyt abfließt, kann das Gerät weniger Ladung halten und senkt dadurch seine Kapazität. Und da die Spannung des Kondensators von dem Verhältnis der gespeicherten Ladung zu dessen Kapazität abhängt, kann das neue System eine konstante Spannung halten, während die Ladung abgeschöpft wird.

Ein Prototyp der Konstantspannungseinrichtung mit einem 30 mm durchmessenden Ultrakondensator-Kern und einem 35 x 20 mm großen Schrittmotor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von über 99 %. Als nächstes soll die Gestaltung des Systems so modifiziert werden, daß es in jedem Winkel montierbar wird.


Im August 2012 startet an der Universität Augsburg eine vom BMBF über einen Zeitraum von bis zu fünf Jahren mit 830.000 € geförderte interdisziplinäre Nachwuchsgruppe um Stephan Krohns mit dem Pojekt ,Entwicklung ressourceneffizienter Kondensatoren zur Energie-Kurzzeitspeicherung’ (ENREKON).


Ebenfalls ab Anfang August 2012 setzt die Aachener Straßenbahn und Energieversorgungs-AG (ASEAG) für rund zwei Monate teilweise einen Lion’s City Hybridbus des deutschen Herstellers MAN im Linienverkehr auf der Linie 13B ein, der mit Hochleistungskondensatoren ausgestattet ist. Dabei ist vor allem der Einfluß der Topographie des hügeligen Aachen auf die Kraftstoffeinsparungen von Interesse.

Der Lion’s City ist ein Niederflurbus mit seriellem Hybridantrieb und zwei gekoppelten 75 kW Elektromotoren, die beim Bremsen als Generatoren arbeiten und die Bremsenergie in elektrische Energie umwandeln, welche in den UltraCaps auf dem Dach des Fahrzeugs gespeichert wird. Mit der gespeicherten Bremsenergie kann der Bus rein elektrisch rund 300 m zurücklegen, was im innerstädtischen Bereich mit kurzen Strecken zwischen den Haltestellen ein nahezu rein elektrisches Fahren erlaubt. Wohlgemerkt: Genau dieser Bustyp wurde vor 10 Jahren schon einmal getestet (s.o.).


Zeitgleich im August 2012 stellt die chinesische Firma CSR Zhuzhou Electric Locomotive den Prototyp eines leichten U-Bahn-Triebzuges vor, der als Energiespeicher Superkondensatoren nutzt, um ohne externe Stromversorgung betrieben werden zu können.

Der in Zusammenarbeit mit der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften entwickelte Triebzug verwendet Unterflur-Stromabnehmer, um die auf dem Dach montierten Superkondensator-Einheiten aus einer festen Versorgungsschiene aufzuladen, während der Zug im Bahnhof steht.

Der Ladevorgang dauert 30 Sekunden, anschließend kann den Zug eine Strecke von 2 km zurückzulegen. Auch die Bremsenergie wird zur Wiederverwendung zurückgewonnen.

Der Zwei-Wagen-Gelenktriebzug hat eine Kapazität von 320 Passagieren und ist für eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h ausgelegt, mit einer vorgesehenen Betriebsgeschwindigkeit von 70 km/h.

Die kommerzielle Produktion ist für 2014 vorgesehen, und der Hersteller glaubt, daß die Technologie für mehr als 100 kleinere und mittelgroße chinesische Städte sowie für den Exportmarkt geeignet sei.


Ebenfalls im August 2012 gewinnen die in Tokio beheimateten Firmen Meidensha Corp., ein Spezialist für elektrische Ausrüstungen, und Sojitz, ein japanisches Großhandelsunternehmen, den mit 318 Mio. $ bislang wohl größten Vertrag in der Branche, um für das U-Bahn-Projekt Hong Kong South Island Line zwei 2 MW Capapost-Speicher für regenerative Energie zu liefern. Es wird erwartet, daß die Installation der Superkondensator-Technologie von Meidensha den Bahnstromverbrauch auf der im Bau befindlichen 7,1 km langen Strecke um 10 % reduzieren wird.

Aluminium-Celmet

Aluminium-Celmet

Meidensha hat in Zusammenarbeit mit der Sumitomo Electric Industries Ltd. einen neuen Superkondensator geschaffen, dessen Elektroden ein poröses Metall von Sumitomo namens ,Aluminium-Celmet’ verwenden, das zu etwa 98 % aus einer porösen, schaumartigen Struktur besteht und erst im Jahr zuvor entwickelt worden war.

Das Material ist eine Weiterentwicklung von ,Celmet’, einer Nickel-Chrom-Legierung, die ebenfalls hochporös ist und bereits in NiCd- und NIMh-Akkus eingesetzt wird. Der Namen ist eine Mischung der Begriffe cell und metal.

Auch sonst unterscheiden sich die sehr fortschrittlichen Meidensha-Superkondensatoren von allen anderen Modellen. Nicht nur, daß die Wickelfolien-Stromkollektoren durch die porösen Aluminium-Celmet ersetzt sind, sondern auch die aktiven Elektroden bestehen aus Kohlenstoff-Nanoröhren, und nicht aus Aktivkohle, und der nicht brennbaren Elektrolyt ist eine ionische Flüssigkeit statt des sonst genutzten Lösungsmittels auf Basis von Acetonitril.

Meldungen vom März 2012 zufolge will Meidensha im Laufe des Jahres 2013 erste Proben der Superkondensatoren mit dem 3,4-fachen der heutigen Energiedichte herausgeben, und im Jahr 2015 mit der Serienproduktion beginnen.


Und noch ein weiteres Projekt startet im August 2012, denn auch der Genfer Straßenbahn-Betreiber TPG beginnt einen Superkondensator-Energiespeicher-Prototypen von Stadler Rail zu testen, der die Bremsenergie zurückgewinnt und es der Straßenbahn ermöglicht, eine gewisse Strecke ohne externe Stromversorgung zurückzulegen – bei langsamer Fahrt immerhin 1,5 km. Die 1.000 kg schwere Superkondensator-Einheit ist auf dem Dach einer von 32 Tango-Straßenbahnen von Stadler Rail installiert. Im Erfolgsfall sollen auch die restlichen 31 Fahrzeuge mit Superkondensatoren ausgestattet werden.


Im August 2012 wird ferner gemeldet, daß Wissenschaftler aus China, Australien und Singapur mittels einer sogenannten Skelett/Haut-Strategie an ultradünnen Superkondensatoren mit erhöhter Leistungsdichte arbeiten.

Bislang haben Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und leitenden Polymeren eine höhere Energiedichten als Kondensatoren, die nur aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehen. Allerdings leiden sie unter niedrigeren Leistungsdichten, weil sich die Polymerschichten überschneiden, was zu einer schlechten elektrischen Leitfähigkeit führt.

Das internationale Team um Weiya Zhou von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verändert nun das Design dieser Superkondensatoren, um ihre Leistungsdichte zu erhöhen, wozu eine Skelett/Haut-Strategie genutzt wird, bei der die einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen das Skelett, und die Polymerschichten aus Polyanilin (PANI) die Haut bilden. Nähere Details darüber habe ich noch nicht finden können.


Daß Superkondensatoren sogar aus handelsüblicher Kugelschreibertinte hergestellt werden können, berichten Forscher der Peking University im September 2012. Sie hatten herausgefunden, daß die Tinte Kohlenstoff-Nanopartikel enthält, die perfekt zur Ladungsspeicherung geeignet sind.

Faser-Superkondensator Grafik

Faser-Superkondensator
(Grafik)

Die Wissenschaftler entwickeln ihr neues Gerät, indem sie zwei lange und dünne Kohlenstoff- Faserelektroden mit der Kugelschreibertinte überziehen, einen davon mit einem spiralförmigen Abstandshalterdraht umgeben, und das Ganze dann in eine Plastikhülle packen, die mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt wird. Dabei reicht ein Gramm Tinte aus, um 27 m2 Material zu bedecken.

Der aufwickelbare Kohlenstoff-Faser-basierte Superkondensator (Fiber Supercapacitor, FSC) zeigt eine hohe Kapazität und hat damit das Potential für sehr preisgünstige und effiziente flexible bzw. tragbare Energiespeichersysteme. Mit nur wenigen Millimetern Durchmesser übersteigt der neue Superkondensator die Leistung anderer Kondensatoren auf Kohlenstofffaser-Basis und kann bis zur zehnfachen Menge Ladung speichern.


Im selben Monat gewinnt Toyota erstmals den fünften Lauf des FIA World Endurance Rennens in Sao Paulo, Brasilien – mit einem TS030 Hybrid-Rennwagen, der mit Superkondensatoren ausgestattet ist.

Der Wagen verwendet einen 3,4-Liter Benzin-V8-Motor mit 530 PS sowie eine 500 kJ (300 PS) Superkondensator- Energierückgewinnungseinheit, die ihre Energie über ein Nippondenso Antriebseinheit auf die Hinterräder gibt. Das von Hisatake Murata geleitete Entwicklungsprojekt ,Toyota Hybrid System – Racing’ (THS-R) befindet sich zu diesem Zeitpunkt bereits in seinem sechsten Jahr.

Seinen ersten Triumph feierte das Projekt allerdings schon im Juli 2007, als ein Toyota Supra mit einer frühen Version des TS030 Superkondensator-Hybrid-Systems zum erste Hybrid-Auto wurde, welches das Tokachi-24-Stunden-Rennen in Japan gewann.

Im August 2013 präsentiert das Unternehmen Details über sein neues, mit einem Dreifach-Motor und Superkondensator angetriebenes Modell Yaris Hybrid-R.


Im November 2012 wird gemeldet, daß Prof. Yung Joon Jung an der Northeastern University zusammen mit Kollegen von der Rice University, darunter auch Prof. Pulickel M. Ajayan, ein sehr dünnes, flexibles und transparentes Superkondensator-Energiespeichersystem entwickelt hat, das auf einem vor zwei Jahren in Jungs Labor entwickelten Nanomaterial namens Nanocup basiert.

Einer der Vorteile von Nanoröhren ist das Potential, sie mit anderen Materialien zu füllen, wie z.B. Mit einem Elektrolyt, im Fall von Superkondensatoren. Die innere Kapazität von Nanoröhren hat sich allerdings zu klein erwiesen, um diese Fähigkeit effektiv zu nutzen. Dies sei mit einer ,Tasse’ etwas anderes.

Zur Herstellung der Nanocups werden im ersten Schritt mittels Oxidation nanoskopische Einkerbungen in einen Aluminiumfilm geätzt. Durch Optimierungen der Spannung und Zeit dieses Prozesses können die Forscher die Größe der Tassen maßschneidern. Im zweiten Schritt wird die Aluminiumform unter Verwendung von Standard-Kohlenstoffnanoröhrchen-Technologien mit Kohlenstoffatomen beschichtet. Die großflächige Morphologie der offenen strukturierten Oberflächen der Nanocups erlaubt es diesen, in besseren Kontakt mit dem Elektrolyt zu kommen, was die Bildung eines elektrischen Feldes und damit die Energiespeicherfunktion steuert.

Auf der Abbildung sind konkave (a), konvexe (b, c) und verzweigte (d – f) Nanocup-Filme zu sehen. Die konvexen Nanocups (c) haben 80 ± 10 nm im Durchmesser und sind 140 ± 10 nm lang. (e, f) ist eine Querschnittsansicht des verzweigten Nanocup-Films (d). Hier verzweigten sich kurze Kohlenstoff-Nanoröhrchen (25 nm im Durchmesser und 330 ± 10 nm in der Länge) vom Boden eines Nanocups aus.

Der noch nicht optimierte neue Superkondensator ist in der Lage, Energie auf einem Niveau zu speichern, das mit anderen Geräten vergleichbar ist, hat dazu aber den Vorteil, in Dünnschichtvorrichtungen eingebaut werden zu können. Es gelingt dem Forschungsteam mit einem flexiblen und transparenten Prototyp ein Licht zu versorgen.


Dehnbarer Superkondensator

Dehnbarer Superkondensator

Nach Angaben von Prof. Bingqing Wei an der University of Delaware im Dezember 2012 bildet die dehnbare Elektronik die Zukunft der mobilen Elektronik - mit potentiellen Anwendungen im biomedizinischen Bereich, bei der implantierbaren Elektronik, bei tragbaren Geräten sowie bei Sensoren, wie beispielsweise künstlicher Haut für Roboter.

Für Fortschritte in diesen Sektoren werden dringend dehnbare und wiederaufladbare Energiespeicher benötigt.

Die Forschungsgruppe von Wei arbeitet daher an der Entwicklung skalierbarer, dehnbarer Stromquellen für diese Art von Anwendung, die auf Makrofilmen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Polyurethan-Membranen und organischen Elektrolyten basieren. Der bereits zum Patent angemeldete Ansatz (US-Nr. 20110026189) soll Superkondensator mit hervorragender Stabilität ergeben.


Im Januar 2013 startet das Army Research Laboratory (ARL) in Aberdeen, Maryland, eine Kooperation mit Prof. A. K. Srivastava vom Fachbereich Chemie der University of Mumbai, um gemeinsam mit Hilfe der Nanotechnologie einen Hybrid-Superkondensator zu entwickeln. Das US-Labor wird dieses Projekt im ersten Jahr mit 34.000 $ finanzieren. In der ersten Projektphase sollen bestimmte elektrochemische Reaktionen in dipolaren aprotischen Lösungsmitteln getestet werden.


Forscher der Henry Samueli School of Engineering and Applied Science an der University of California in Los Angeles (UCLA) berichten im April 2013, daß sie eine synthetisierte Form von Niob-Oxid (Nb2O5) entwickelt haben, die als sehr vielversprechend für die extrem schnelle Speicherung und Freisetzung von Energie in Superkondensatoren gilt.

Die Wissenschaftlern um Prof. Bruce Dunn, die mit Kollegen der Cornell University und der Université Paul Sabatier in Toulouse zusammenarbeiten, werden mit ihrer Arbeit die Grenzen zwischen dem, was eine Batterie ist, und dem, was ein Superkondensator ist, verwischen. Die Entdeckung vermeidet gleichzeitig die Nachteile der Kondensatoren, wie die der Batterien.

Der neue Typ von Niob-Oxid nutzt die sogenannte Einlagerungs-Pseudokapazität, bei der Ionen in der Masse des Niob-Oxids in der gleichen Weise abgelagert werden, wie sich Sandkörner zwischen Kies verteilen, um eine große Speicherkapazität zu erzielen. Selbst 40 µm dicke Elektroden aus dem neuen Material können Energie genauso effizient und schnell speichern und liefern wie 100 mal dünnere Elektroden.

Die Forschung wird vom Office of Basic Energy des der DOE gefördert; ein Zuschuß des Europäischen Forschungsrats unterstützt die Arbeit an der Université Paul Sabatier.


Im Mai 2013 überschlägt sich die Mainstream-Presse in ihrer Berichterstattung über die 18-jährige US-Schülerin Eesha Khare aus Kalifornien, die einen Superkondensator erfunden und auf der Intel International Science and Engineering Fair (ISEF) in Phoenix, Arizona, gezeigt habe, wo ihr auch der mit 50.000 $ dotierter Intel Foundation Young Scientist Award verliehen wird.

Die Ergebnisse ihrer Arbeit über elektrisch leitende Polymere veröffentlicht Khare unter dem Titel: ,Entwicklung und Synthese von Nanostäbchen aus hydriertem TiO2 und Polyanilin für flexible Hochleistungs-Superkondensatoren’.

Doch revolutionär ist die Tätigkeit nicht, für die sie ausgezeichnet wurde, denn die Grundlage für ihre Arbeit lieferte ihre Betreuerin Yat Li von der University of California, die bereits 2012 mehrfach über dieses Thema veröffentlicht hatte. Das Material, hydrogenierte Nanoröhrchen aus Titandioxid, eignet sich besonders gut als Bestandteile eines Super-Kondensators und erreicht eine Energiedichte von 20 Wh/kg.


Ebenfalls im Mai kommt eine Meldung aus der University of Central Florida in Orlando, wo Forscher um Prof. Jayan Thomas eine neue Technik entwickelt haben, um die Energiespeicherfähigkeit von Superkondensatoren zu erhöhen.

SNAP-Supercaps Grafik

SNAP-Supercaps (Grafik)

Ihre Methode nutzt ein vereinfachtes Herstellungsverfahren, um großflächige nanostrukturierte Elektroden zu drucken, wie sie erforderlich sind, um die elektrische Leitfähigkeit und die Leistung von Superkondensatoren zu verbessern.

Mit einer einfachen Nano-Drucktechnik (Spin-on Nanoprinting, SNAP) gelingt es, hoch geordnete Nanosäulen zu drucken – ohne die Notwendigkeit weiterer, komplizierter Entwicklungsverfahren. Die Eliminierung dieser Vorgänge erlaubt es auch, mehrere nah beieinander liegende Abdrücke auf dem gleichen Substrat zu machen.

Durch die gedruckten geordnete Nanostrukturen auf den Superkondensator-Elektroden läßt sich deren Oberfläche viele Male erhöhen, und das Team stellt erfreut fest, daß die unter Verwendung der SNAP-Technik hergestellten Superkondensatoren viel mehr Energie speichern können als diejenigen, die ohne diese Technik gemacht worden sind.


Wissenschaftler der University of Wollongong (UOW) im australischen Bundesstaat New South Wales, berichten im Juni 2013, daß sie ein starkes und flexibles Garn entwickelt haben, das Strom leitet und speichert und daher dazu verwendet werden könnte, tragbare medizinische Geräte und sogenannte ,intelligente Kleidung’ zu schaffen.

Das internationale Team um Prof. Gordon G. Wallace, in dem auch Kollegen der Hanyang University aus Seoul, Südkorea, sowie der University of Texas in Dallas mitarbeiten, stellt das Superkondensator-Garn, das etwa die Dicke eines menschlichen Haares hat, durch das Verweben von zwei Nano-Materialien her, Graphen-Oxid (GO) und reduziertes Graphen-Oxid (rGO), die zusammen ein super-starkes Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden. Graphen-Oxid ist ein nur 1 Atom dickes Blatt aus Kohlenstoff, das mit Hydroxylgruppen bedeckt ist.

Hunderte von Schichten dieser Nanoröhrchen, die mit kleinen Molekülen aus Kunststoff beschichtet sind, werden mit einem dünnen Metalldraht zusammen gewebt. Dies wird dann zu einem Garn gesponnen. Mit integrierten Strick- und Flecht-Maschinen können die hochfunktionellen Fasern anschließend in komplexe 2D- und 3D-Strukturen integriert werden. Die Fasern haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 2.500 S/m und eine sehr große Oberfläche – 2.605 m2/g für Graphen-Oxid, und 2.210 m2/g für reduziertes Graphen-Oxid. In einer Zwei-Elektroden-Konfiguration können Kapazitätswerte von 410 F/g pro Graphen-Oxid-Elektrode erreicht werden. Die volumetrische Kapazität ist ebenfalls hoch (bis zu ca. 179 F/cm3).

Bereits im Februar 2014 veröffentlicht das Forschungsteam, dem inzwischen auch Forscher der Dublin City University und der University of Sydney angehören, einen Bericht, in dem eine Methode zur flexiblen Herstellung hochporöser und multifunktionaler Hochleistungs-GO- und rGO-Fasern und -Garne in großer Menge beschrieben wird. Genutzt wird das intrinsische, weiche Selbstorganisationsverhalten einer ultragroßen, flüssigkristallinen Graphen-Oxid-Dispersionen (was immer das auch heißt).

Die Garne selbst werden mit einem neuen Naßspinnverfahren hergestellt, das die Produktion unbegrenzter Längen von hochporösen, trotzdem dichten, mechanisch robusten und flexiblen Graphen-Garnen aus Flüssigkristallen von sehr großen Graphen-Oxid-Blättern erlaubt.


Im Juli 2013 berichten Forscher der Penn State University um Prof. Michael Lanagan über die Entwicklung eines neuen Dünnglases mit einem Zehntel der Dicke marktüblicher Display-Gläser, welches als Glas-Kondensator möglicherweise die nächste große Energiespeichertechnologie darstellt, die auch Hybrid- und Elektrofahrzeugen zuverlässiger und erschwinglicher machen könnte.

Bei Tests mit verschiedenen alkalifreien Glaszusammensetzungen und Dicken sowie dem Vergleich ihrer Energiedichten mit gegenwärtigen kommerziellen Polymer-Kondensatoren wird ein 10 µm dünnes Glas entdeckt, das von der Firma Nippon Electric Glass (NEG) hergestellt wird und einen hohen Lade/Entlade-Wirkungsgrad bei Temperaturen von bis zu 180°C aufweist.

In Partnerschaft mit der NEG und der Firma Strategic Polymer Sciences Inc. (SPS) in San Francisco (später umbenannt in Novasentis Inc. mit Sitz in Burlingame, Kalifornien), die sich primär mit piezoelektrischen Polymeren beschäftigt, gelingt es den Forschern, dieses Glas in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren in Form preiswerter, dünner Blätter zu produzieren. Diese werden anschließend mit Hochtemperatur-Polymeren beschichtet, welche die Energiedichte auf 35 J/cm3 erhöhen und das Glas ferner in der Lage versetzen, Selbstheilungsprozesse durchzuführen.

Bei meiner Recherche konnte ich ein wenig zum Background dieser Innovation finden. Die Entwicklungsarbeiten am Electrochemical Engine Center (ECEC) und am Energy Nanostructure Laboratory (E-Nano) der Penn State laufen bereits seit mehreren Jahren und werden in erster Linie von Michael T. Lanagan, Carlo G. Pantano und Chao-Yang Wang durchgeführt. Gefördert werden sie u.a. vom Department of Energy und den Department of Defense.

Bereits 2010 hatte die Universität die Lizenz für ein Hochenergie-Glasdielektrikum mit einer alkalifreien Zusammensetzung angeboten, das eine außergewöhnlich hohe Durchschlagsfestigkeit (12 MV/cm) und ebenfalls hohe elektrostatische Energiedichte-Werte bis zu 38 J/cm3 aufweist, dem Dreifachen des üblicherweise genutzten Polypropylens. Durchschlagsfestigkeit und Dielektrizitätskonstante zu bestimmen, wie viel Energie in einem isolierenden Material gelagert werden kann, bevor es ausfällt und beginnt, Strom zu leiten. Zum Einsatz kommen soll das ≤ 20 µm dünne neue Material in Hochenergie-Glas-Kondensatoren.

Das ECEC ist übrigens auch an dem Projekt einer vollelektrischen 1.500 PS Lokomotive NS 999 von Norfolk Southern involviert, die ihre Energie aus Blei-Säure-Batterien bezieht (s.u. Elektrozüge bis PRT-Systeme).


Ebenfalls im Juli 2013 vermelden Forscher der Australian National University (ANU) in Canberra, daß sie nach fünf Jahren harter Arbeit ein dielektrisches Material entwickelt haben, das große Mengen an Energie mit sehr wenig Verlusten schnell speichern kann. Es basiert auf dem Mineral Rutil und sieht in seiner Modellstruktur der synthetisierten Form von Niob-Oxid ähnlich, über welche die UCLA im April berichtet hatte (s.o.).

Withers und Liu mit Rutil-Modell

Withers und Liu mit Rutil-Modell

Den Wissenschaftlern um die Professoren Yun Liu und Ray Withers zufolge ist das neue Material bei der Energieabsorption den gegenwärtigen Stromkondensatoren überlegen, billiger in der Herstellung, und funktioniert außerdem in einem sehr breiten Temperaturbereich zwischen -190 °C und +180 °C. Mit weiterer Entwicklung könnte das Material daher gut in Superkondensatoren verwendet werden.

Rutil ist ein Mineral, das hauptsächlich aus Titandioxid besteht und weitestgehend als Pigment und bei der Herstellung von Titanmetall, feuerfester Keramik und Schweißelektroden eingesetzt wird. Titandioxid wird wegen seiner Fähigkeit, UV-Licht zu reflektieren, auch in Sonnenschutz-Mitteln und Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen eingesetzt. Über die größten bekannten Reserven des Minerals verfügt Australien, das rund 25 % des weltweiten Bedarfs deckt. Im Jahr 2011 produzierte Australien 474.000 Tonnen des Minerals.


Auch Koreanische Forscher des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) berichten im Juli 2013 darüber, eine neue Methode zur Synthese massiv verbesserter und doch erschwinglicher Materialien für Superkondensatoren entwickelt zu haben.

Graphen gilt aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und der großen Oberfläche schon länger als vielversprechendes Aktivmaterial für Superkondensatoren, wobei zur Herstellung von Graphen-Schichten zumeist die chemische Dampfabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) empfohlen wird, da das so hergestellte Graphen eine besonders hohe Leitfähigkeit aufweist. Für eine Vermarktung ist allerdings noch die Skalierbarkeit auf großindustriellen Maßstab erforderlich.

Das Forschungsteam um Frau Prof. Ji-Hyun Jang hatte zuvor schon einen neuartigen Ansatz entwickelt, um mittels CVD-Wachstum 3D-Graphen-Nano-Netzwerke zu synthetisieren, die unter Beibehaltung der hervorragenden Eigenschaften von 2D-Graphen für die Massenproduktion tauglich sind.

In Fortsetzung ihrer bisherigen Forschung präsentiert Prof. Jang nun ein einzigartiges Verfahren, um eine in Massen herstellbare mesoporöse Graphen-Nanokugel (Mesoporous Graphene Nano-Ball, MGB) mit großer Oberfläche und hoher Leitfähigkeit zu erhalten, welche die Kapazität des Superkondensators signifikant verbessert.

Aufgrund der einzigartigen mesoporösen Struktur werden dreidimensionale Netzwerke gebildet, die zur Verbesserung der Leitfähigkeit beitragen. Außerdem induzieren Mesoporen innerhalb der Graphenoberflächen Nanokanäle, um Ionen in den Elektrolyten zu transportieren,was die Eigenschaften des Superkondensators ebenfalls verbessert.

Die MGBs haben eine spezifische Oberfläche von 508 m2/g und eine Mesoporosität mit einem mittleren Porendurchmesser von 4,27 nm, während die Leitfähigkeit des p-dotierten MGB 6,5 S/cm beträgt. MGB-basierte Superkondensatoren zeigen eine gute Leistung, einschließlich einer ausgezeichneten Kapazität von 206 F/g und 96 % Retention nach 10.000 Zyklen auch bei hoher Stromdichte.


Die vierte Meldung in diesem Monat kommt aus der Drexel University in Philadelphia, Pennsylvania, wo die Doktorandin Kristy Jost eine nette Geschichte über ihrem Weg von der Nähmaschine zum Superkondensator zu erzählen hat.

Kristy Jost

Kristy Jost

Als College-Studentin erhielt sie die Aufgabe im Fach Mode-Design, ein Kleidungsstück zu entwerfen, das die Technologie in das Design integriert. Während die meisten aus ihrer Klasse mit Taschen kamen, in die ein Handy paßt, drehte sich Jost in einem selbstgenähten Designer-Kleid mit Lautsprechern, Licht und Musik vor ihrem Professor.

Nachdem Jost erst einmal mit der Konzeptionierung neuer Arten von smarten Kleidungsstücken begonnen hatte, die Multimedia als eine Form des Ausdrucks auf dem Körper verwenden, dauert es nicht lange, bis sie im Jahr 2009 den nächsten Schritt in die intelligente Textilforschung macht, angeleitet von Genevieve Dion, der Direktorin des Shima Seiki Haute Technology Laboratory an der Drexel University.

In ihrem dritten Studienjahr 2010 verwirklicht Jost in Dions Intelligente-Textilien-Labor eine Forschungskooperation zwischen dem Westphal College of Media Arts & Design und dem Labor von Prof. Yury Gogotsi (s.o.) im Nanotechnologie-Institut der Universität, wo sie in Kohlenstoff-Nanomaterialien eingeführt wird. Sie realisiert sofort, daß diese der Schlüssel sind, um ihre High-Tech-Mode-Entwürfe in die Realität zu bringen und entwickelt eine Tinte aus preiswerter Aktivkohle, die von Pinienbäumen oder aus Kokosnußschalen gewonnen wird.

Das neue Interesse an der Materialwissenschaft manifestiert sich auch in Josts Abschluß-Kollektion mit Kleidern, die zum Teil von der Form und Struktur von Kohlenstoff-Nanoröhrchen inspiriert sind und unkonventionelle Materialien wie Neopren und Nylon-Rosshaar verwenden. Nach ihrem Abschluß im Jahr 2011 beschließt sie, an der Drexel zu bleiben, um einen zweiten Abschluß in Materialwissenschaft und Maschinenbau zu machen.

Jetzt, als Mitglied der Forschungsteams im Nanotechnologie-Institut und im Haute Tech Lab, versucht Jost die richtigen Muster der Fäden und Materialien zu finden, die ihre Textilien in effiziente Energiespeicher verwandelt, um verschiedene elektronische Kleidungsstücke zu versorgen. Dabei ummantelt sie gestrickte Kohlefasern mit weiteren Kohlenstoffmaterialien, um Gewebe-Superkondensatoren zu produzieren.

Ab 2012 testet und verfeinert sie diesen Vorgang immer weiter, bis sie nun den Punkt erreicht hat, daß genügend Energie bereitgestellt werden kann, um ein Handy zu versorgen. Mit den Präzisions-Design-Funktionen der digitalen Strickmaschinen im Haute Tech Lab können Josts Fäden zu einem Smartes-Gewebe-Kondensator gestrickt werden, der Teil eines vollständigen Kleidungsstücks ist. Jost schätzt, daß ein 1.000 cm2 großes Feld des smarten Gewebes ausreichend Strom speichern kann, um ein Handy eine Stunde lang zu betreiben.

Andere Strick- und Gewirke-Technologien aus dem Haute Tech Lab könnten eines Tages aus einem T-Shirt ein Überwachungsgerät für Patienten im Krankenhaus machen, eine Bauchbinde, um die Länge der Uteruskontraktionen bei Geburten zu verfolgen, oder vielleicht sogar Lautsprecher-Kleider. Außerdem gibt es Jost zufolge immer Raum für Verbesserungen – wie die Suche nach Möglichkeiten, um ihren Superkondensator durch das parallele Einbetten weiterer Energy-Harvesting-Technologien, die z.B. die Bewegung, die Körperwärme oder die passive Strahlung nutzen, zu laden. Ihr Forschungsstipendium wird durch das US Department of Defense finanziert.

Im November 2013 gewinnt der abgebildete Beitrag ,Wearable Power’ von Kristy Jost, Babak Anasori und Majid Beidaghi den ersten Platz bei der Science & Engineering Visualization Challenge der National Science Foundation in der Kategorie Posters & Graphics.


Im August 2013 berichtet die Fachpresse, daß ein Forscherteam um Prof. Dan Li an der Monash University in Melbourne, Australien, eine völlig neue Strategie entwickelt habe, um Graphen-basierte Superkondensatoren zu konstruieren. Diese bestehen im allgemeinen aus hochporösem Kohlenstoff und einem flüssigen Elektrolyten und erreichen nur niedrige Energiedichten von 5 – 8 Wh/l, weshalb sie ziemlich groß sind oder häufig aufgeladen werden müssen.

Das Monash-Team hat nun einen Superkondensator mit einer Energiedichte von 60 Wh/l hergestellt, die vergleichbar mit Blei-Säure-Batterien ist – und rund 12 mal höher als bei im Handel erhältlichen Modellen.

Li hatte bereits 2011 mit Kollegen zusammen einen Bericht über einen einfachen, biologisch inspirierten Ansatz veröffentlicht, der wirksam verhindert, daß sich chemisch umgewandelte Graphenschichten in Mehrschichtfolien wieder zusammenstapeln (verkleben), was die Schaffung einer neuen Generation von Superkondensatoren ermöglicht, die eine hohe Energiedichte mit einer hohen Leistungsdichte und hohen Betriebsgeschwindigkeiten kombinieren.

Um ihre neue, einzigartig kompakte Elektrode zu machen, nutzt das Team einen adaptiven Graphen-Gel-Film, den es zuvor entwickelt hatte, während flüssige Elektrolyten verwendet werden, um den Abstand zwischen den einzelnen Graphenschichten auf der Sub-Nanometerskala zu steuern. Damit spielt der flüssige Elektrolyt eine doppelte Rolle: die Aufrechterhaltung der kleinen Zwischenräume zwischen den Graphenschichten, und das Leiten der Elektrizität. Und anders als beim traditionellen ,harten’ porösen Kohlenstoff, wo Platz mit unnötig großen ,Poren’ verschwendet wird, ist die Dichte in Professor Lis Elektrode maximiert, ohne Kompromisse gegenüber der Porosität.

Um das Material herzustellen, wird ein Verfahren ähnlich dem in der traditionellen Papierherstellung verwendet, was bedeutet, daß der Prozeß leicht und kostengünstig für den industriellen Einsatz skaliert werden könnte. Die Forscher betrachten ihr makroskopisches Graphen-Material als einen Schritt weiter, gegenüber dem, was zuvor erreicht worden ist, und bezeichnen es als Phase des Übergangs vom Labor in die kommerzielle Entwicklung.


Ebenfalls im August 2013 melden Wissenschaftler um Prof. Oliver G. Schmidt und Chenglin Yan am Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), daß sie einen leistungsfähigen Mikro-Superkondensator hergestellt haben, der mit nur wenigen Nanometern Dicke Elektronik-Unternehmen dabei helfen könnte, Handys und Kameras zu entwickeln, die kleiner, leichter und dünner sind als je zuvor.

Das Team hatt die Verwendung von Mangandioxid als alternatives Elektrodenmaterial untersucht, da es umweltfreundlicher und kostengünstiger als die Standard-Materialien ist. Mangandioxid bildet allerdings keine natürliche Wahl für ein Elektrodenmaterial, da es in seiner natürlichen Form elektrisch nicht sehr leitfähig, noch flexibel oder gar stark ist.

Es gelingt den Wissenschaftlern diese Schwächen zu überwinden, und zwar durch das Verdampfen des Mangandioxids mit Hilfe eines Elektronenstrahls, worauf die Gasatome in Form dünner und biegsamer Filme ausgefällt werden. Anschließend werden sehr dünne Schichten aus Gold in die Filme integriert, um die elektrische Leitfähigkeit des Materials zu verbessern. Die winzigen Stromversorger messen weniger als einer halben Zentimeter im Durchmesser und bestehen aus einem flexiblen Material, was auch Möglichkeiten für die tragbare Elektronik eröffnet.

Tests der neuen Mikro-Superkondensatoren zeigen, daß die kleinen, biegbaren Stromversorger mehr Energie speichern können und mehr Leistung pro Volumeneinheit bieten als die gegenwärtigen Superkondensatoren. Der nächste Schritt besteht nun darin, eine billigere Alternative als Gold zu finden, um die Leitfähigkeit zu verbessern und das Gerät damit markttauglich zu machen. Ins Auge gefaßt werden dabei günstigere Metalle wie Mangan.


Über die im August 2010 von Schmidt und Yan veröffentlichte Entwicklung eines ultra-kompakten Energiespeichers im nanoskaligen Bereich habe ich bereits unter Nano-Batterie berichtet (s.d.).


Über die Entwicklung eines neuen Kondensator-Designs, das besser mit den Temperaturen in Elektrofahrzeugen klar kommt, wird im August 2013 berichtet. Im Rahmen des Projekts Advanced Capacitors for Energy Storage (ACES) stellt das National Physical Laboratory (NPL) einen neuen Kondensator namens HITECA vor, der mit fast optimalen Wirkungsgrad bei einer Temperatur von 200°C arbeitet.

Bei der Entwicklung des keramischen Kondensators auf Basis einer dotiertem BiFeO2-Verbindung arbeitete das Team um Tatiana Correia vom NPL mit der Queens University of Belfast, der Queen Mary University und den Firmen Syfer und Valeo zusammen. Nun wartet das Labor auf Industriepartner mit Interesse an einer Lizenzierung der Erfindung.


Im September 2013 melden Forscher der Pekinger University of Chemical Technology um Wei Min, daß sie einen intelligenten Superkondensator entwickelt haben, der reversibel heruntergefahren werden kann, wenn er zu heiß wird. Dies gelingt ihnen mit Hilfe einer temperaturempfindlichen Elektrode, die auf der Beschichtung mit einem wärmeempfindlichen Polymer basiert.


Ein Team der Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, um Prof. Cary Pint stellt im Oktober 2013 den ersten Superkondensator aus Silizium vor, dessen große Stärke es ist, daß er einfach in einen Silizium-Chip integriert ist - und auch zusammen und in der gleichen Zeit mit den mikroelektronischen Schaltkreisen hergestellt werden kann, die er mit Strom versorgen soll.

Poröses Silizium

Poröses Silizium

Da sich die meisten bisherigen Versuche, die Energiedichte von Superkondensatoren zu verbessern, auf den Einsatz von Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen und Nanoröhrchen konzentrieren, entscheidet sich das Vanderbilt-Team, etwas radikal Neues zu versuchen: Die Verwendung von porösem Silizium, einem Material mit steuerbaren und gut definierten Nanostrukturen, das durch elektrochemisches Ätzen der Oberfläche eines Silizium-Wafers gemacht wird.

Bislang gilt Silizium als ungeeignet, um in Superkondensatoren Verwendung zu finden, da es leicht mit einigen der Chemikalien in den Elektrolyten reagiert. Pints Gruppe beschichtet die poröse Silizium-Oberfläche daher mit Kohlenstoff und stellt fest, daß das Material seine Farbe von orange zu violett oder schwarz gewechselt hat, als es aus dem Brennofen kommt. Unter einem starken Rasterelektronenmikroskop ist zu sehen, daß es zwar noch immer fast identisch mit dem Original-Material ist, aber von einer chemisch stabilisierten, nur wenige Nanometer dicken Graphen-Schicht bedeckt ist.

Auf dem Transmissions-Elektronenmikroskop-Bild ist die Oberfläche von porösem Silizium zu sehen, das mit Graphen beschichtet ist. Diese Beschichtung besteht aus 5 – 10 dünnen Graphenschichten voller Poren mit Durchmessern von weniger als 3,2 nm, welche die nanoskalige Architektur des darunterliegenden Siliziums nicht verändern.

Bei der Prüfung stellt sich heraus, daß die Graphen-Beschichtung die Energiedichte im Vergleich zu unbeschichtetem porösen Silizium um mehr als zwei Größenordnungen verbessert. Besonderes Augenmerk wird auf die Möglichkeit gerichtet, dies neuen Energiezellen aus dem Überschuß-Silizium herzustellen, das beim Produzieren der aktuellen Generation von Solarzellen, Sensoren, Mobiltelefonen und einer Vielzahl von anderen elektromechanischen Geräten anfällt – was zu einer erheblichen Kostenersparnis führen würde.


Struktureller Supercap

Bereits im Mai 2014 können die Wissenschaftler einen strukturellen Superkondensator vorführen, der effizient Strom speichert und gleichzeitig mechanische Belastungen aushält, wie z.B. Drücke bis zu 44 bar oder Schwingungsbeschleunigungen über 80 g (was deutlich größer als die auf Turbinenschaufeln in einem Triebwerk wirkenden Kräfte). Damit rücken neue Anwendungsmöglichkeiten in den Fokus, wie beispielsweise ein Laptop, dessen Gehäuse als Batterie dient.

Die Herstellung der Elektroden erfolgt aus chemisch behandeltem Silizium, so daß sie an ihren Innenflächen nanoskalige Poren aufweisen und dann mit einer ultradünnen, graphenartigen Schutzschicht aus Kohlenstof beschichtet werden. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Polymerfilm angeordnet, der als Reservoir für geladene Ionen dient, ähnlich wie die Elektrolytpaste in einer Batterie. Werden die Elektroden zusammengedrückt, dann sickert das Polymer in die winzigen Poren, wo es abkühlt und erstarrt, um eine extrem starke mechanische Verbindung zu bilden.

Die Anwendungsmöglichkeiten für die Technologie sind vielfältig. So könnten zum Beispiel die Mauern in den Wohnungen dazu dienen, Energie zu speichern und diese dann an Lichtquellen sowie an andere elektrische Geräte abzugeben. Ebenso könnten elektrische Autos Energie in ihrem Chassis speichern.


Ebenfalls im Oktober 2013 meldet ein Forscherteam der University of Illinois um Junhua Jiang die Entwicklung eines weiteren Superkondensators aus Holz. Auch hier hatten die Forscher herausgefunden, wie sich fast jede Art von Holz in einen Biokohle-Superkondensator konvertieren läßt, der ebenso viel Leistung wie ein Aktivkohle-Superkondensator bietet – allerdings zu einem Bruchteil der Produktionskosten.

Im Grunde kann jede Art von Holz durch Erhitzen in einer sauerstoffarmen Kammer in Pflanzenkohle verwandelt werden, wobei einige Holzarten besser als andere funktionieren. Im Bild sind von links nach rechts Holz der Weißbirke, Weißkiefer und Rotzeder zu sehen – nebst ihren jeweiligen Transformationsprodukten.

Die Aktivierung der Biokohle erfolgt in einem Bad aus milder Salpetersäure, um die Asche (Kalzium-, Kalium- und andere Verunreinigungen) auszuwaschen, wobei die Nitratverbindung, die als Nebenprodukt dieses Prozesses übrig bleibt, als Düngemittel verwendet werden kann. Die daraus resultierenden Biokohle-Superkondensatoren kosten 5 – 10 mal weniger als aus Aktivkohle hergestellte Modelle gleicher Leistung. Und nach Ende ihrer Lebenszeit können sie zerkleinert und als organische Materialien zur Bodenverbesserung verwendet werden.

Unterstützt wird die Arbeit vom Illinois Hazardous Waste Research Fund und dem HeteroFoaM Center, einem Forschungszentrum für neue Energien, das vom Office of Basic Research des U.S. Department of Energy finanziert wird.


Im November 2013 berichten Wissenschaftler des Gwangju Institute of Science and Technology in Korea über die Entwicklung eines leistungsstarken Graphen-Superkondensators, der fast so viel Energie speichert wie ein Lithium-Ionen-Akku, aber in Sekunden ge- und entladen werden kann und viele Zehntausende Ladezyklen übersteht.

Graphen-Elektrode

Graphen-Elektrode

Die Entwicklung gelingt dem Team um Santhakumar Kannappan, indem es eine hochporöse Form von Graphen perfektioniert, die eine riesige innere Oberfläche hat.

Dies wird durch die Reduzierung von Graphen-Oxid-Teilchen mit Hydrazin in Wasser erreicht, das mit Ultraschall angeregt wird. Anschließend wird das Graphen-Pulver in eine Knopfzelle gepackt und bei 140 ºC und einem Druck von 300 kg/cm fünf Stunden lang getrocknet.

Die resultierende Graphen-Elektrode ist sehr porös, und der daraus hergestellte Superkondensator zeigt eine spezifische Kapazität von über 150 F/g, eine Energiedichte von mehr als 64 Wh/kg und eine Stromdichte von 5 A/g.

Die Ladezeit beträgt nur 16 Sekunden, und einige zehntausend Zyklen werden ohne nennenswerte Reduzierung der Kapazität überstanden.


Im selben Monat ist auch aus der University of Delaware zu erfahren, daß die Professoren Tsu-Wei Chou und Bingqing Wei erfolgreich einen kompakten, dehnbaren und drahtförmigen Superkondensator (Wire-Shaped Supercapacitor, WSS) entwickelt haben, der auf kontinuierlichen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern basiert. Drahtförmige Superkondensatoren sind insbesondere für Anwendungen im Bereich der anziehbaren Energiegeräte interessant.

Die Wissenschaftler verwenden zur Herstellung ihrer Superkondensator eine Methode der Vordehnung und des anschließenden Knickens einer Spandex-Faser als Substrat, und nutzen ferner ein Polyvinylalkohol-Schwefelsäure-Gel als Festelektrolyt sowie Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fasern als aktive Elektroden.

Wenn sie diese einer Zugspannung von 100 % über 10.000 Lade/Entlade-Zyklen aussetzen, verbessert sich die Leistung des Superkondensators auf 108 %, was seine ausgezeichnete elektrochemische Stabilität belegt. Grund dafür ist das Netzwerk der einzelnen Nanoröhrchen und ihre Bündelung, die den Fasern die Fähigkeit verleiht, starken Verformungen zu widerstehen, ohne dabei Abstriche an die mechanischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit und die elektrochemischen Eigenschaften zu machen.


Ebenfalls im November 2013 wirbt der Entwickler und Designer Sam Beck aus Portland, Oregon, auf der Crowdfunding-Plattform Crowdsupply für seine geplanten Produkte: eine Reihe von mobilen Bluetooth-Lautsprechern.

Die Helium Blueshift Lautsprecher haben ein Gehäuse aus Bambus und sollen sich Dank ihrer Superkondensatoren in fünf Minuten aufladen lassen, um dann im Dauerbetrieb bis zu sechs Stunden lang Musik zu liefern.

Die Lautsprecher unterstützen Bluetooth mit dem aptX-Codec, besitzen aber auch eine 3,5 mm Klinkenbuchse. Ihr Hardware-Design patentiert Beck nicht etwa, sondern veröffentlicht die Pläne im Gegenteil als Open Source.

Als die Crowdfunding-Kampagne im Dezember endet, kann sich der Initiator über mehr als 45.000 $ freuen, statt den nur 35.000 $, die er ursprünglich anvisiert hatte. Der Preis für einen aktiven Bluetooth-Lautsprecher mit Superkondensatoren als Energiespeicher beträgt knapp 400 $, die Verschiffung soll im Februar 2014 starten.


Daß sich sogar menschliches Haar zur Herstellung von Superkondensatoren eignet, berichten Forscher in China im Dezember 2013. Feng Yan und sein Team an der Soochow University nutzen ein einfaches Verfahren zur Karbonisierung von menschlichem Haar, wobei Kohlenstoff-Flocken entstehen, sie für den Einsatz in Superkondensator-Elektroden ideal sind.

Menschenhaar hat außerdem mehrere Vorteile als Ausgangsmaterial; es ist billig und reichlich vorhanden, und es enthält von Natur aus Stickstoff und Schwefel, die in den Kohlenstoff-Flocken zurückgehalten werden und die Leitfähigkeit des Materials erhöhen. Außerdem gibt die faserige Anordnung der Proteine, aus denen sich menschliches Haar zusammensetzt, den Flocken eine ungewöhnliche Struktur mit großer Oberfläche.

Das Team untersucht nun, ob ihr neues Material auch in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden kann.


Im Januar 2014 erscheinen gleich drei Studien, die sich mit Superkondensator befassen.

,High-performance transparent and stretchable all-solid supercapacitors based on highly aligned carbon nanotube sheets’ ist von einem internationalen Forschungsteam verfaßt, an dem u.a. Liming Dai von der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, Michael Durstock vom Air Force Research Laboratory, sowie weitere Kollegen der Fudan University in Shanghai, China, beteiligt sind.

In seiner Veröffentlichung berichtet das Team darüber, wie durch die Verwendung von Blättern aus in höchstem Maße ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine hervorragende optische Durchlässigkeit und mechanische Dehnbarkeit sowohl bei dem Stromsammler als auch bei der aktiven Elektrode erzielt wird. Der daraus geschaffene transparente Superkondensator hat eine spezifische Kapazität von 7,3 g/F und kann ohne offensichtliche Veränderung der elektrochemischen Leistung über Hunderte von Streckzyklen biaxial bis zu 30 % gedehnt werden.

Asymmetrischer Superkondensator Montage

Asymmetrischer Supercap
(Montage)

,Low-Cost High-Performance Solid-State Asymmetric Supercapacitors Based on MnO2 Nanowires and Fe2O3Nanotubes’ stammt von chinesischen Wissenschaftlern der Jinan University in Guangzhou sowie der Chinese Academy of Sciences in Peking, die mit Kollegen des Georgia Institute of Technology in Atlanta, USA, zusammenarbeiten.

Hier geht es um den Entwurf und die Herstellung eines kostengünstigen und leistungsstarken flexiblen asymmetrischen Festkörper-Superkondensators (Asymmetric Supercapacitor, ASC), der aus α-MnO2 Nanodrähten und amorphen Fe2O3-Nanoröhren besteht, die auf flexiblem Kohlenstoffgewebe gezüchtet wurden. Das ASC-Gerät zeigt eine Energiedichte von 0,55 mWh/cm3.

,On the Dynamics of Charging in Nanoporous Carbon-Based Supercapacitors’ wiederum kommt aus Frankreich, wo Forscher der Sorbonne Universités und der Université Paul Sabatier (u.a. Prof. Patrice Simon) mit dem Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’Energie (RS2E) sowie Partnern an der University of Oxford in Großbritannien zusammenarbeiten. In dem Artikel geht es die Simulation der Moleküldynamik, die bislang aber noch keine praktische Umsetzung erfährt.

Das RS2E ist übrigens ein im Juli 2010 vom französischen Ministerium für Hochschulwesen und Forschung geschaffenes nationales Netzwerk für Forschung und Technologie auf dem Sektor der elektrochemischen Energiespeicherung, das die Forschung mit der Industrie verbandeln soll.


Im März 2014 wird die Verwirrung um die Nomenklatur der Energiespeicher und das Problem der genauen Definition von Unterschieden zwischen einem Superkondensator und einem Pseudokondensator noch gesteigert, als Forscher um das Professoren-Ehepaar Cengiz S. Ozkan und Mihrimah Ozkan von der University of California in Riverside melden, daß sie einen Energiespeicher entwickelt haben, den sie als einen Hybrid zwischen Super- und Pseudokondensator bezeichnen.

Hybrid-Superkondensator

Hybrid-Superkondensator

Als Elektrodenmaterial für neue Superkondensatoren nutzt das Team wässerige Nanopartikel aus Rutheniumoxid (RuO2), die an Kohlenstoff-Nanoröhren sowie Graphen-Schaum verankert werden, welche wiederum auf einem Gerüst aus Nickelschaum gewachsen sind.

Auf der Abbildung ist das Schema des Herstellungsprozesses zu sehen, sowie Aufnahmen der einzelnen Etappen.

Die neue dreidimensionale Graphen-Schaum-Elektrode übersteht ohne Schwund in der Leistung über 8.000 Lade/Entlade-Zyklen und erreicht eine außergewöhnlich hohe Energiedichte von 39,28 Wh/kg und eine ebenso hohe Leistungsdichte von 128,01 kW/kg. Die spezifische Kapazität beträgt 502,78 F/g, die Flächenkapazität 1,11 F/cm2.

Da das System eine einfache und leicht skalierbare Bindemittel-freie Technik darstellt, arbeitet das Team neben der Weiterentwicklung auch schon an der Vermarktung seiner nanostrukturierten Materialien.


Mit einer Kombination aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen wollen auch Forscher der George Washington University einen Durchbruch bei der Energiespeicherung erzielt haben, wie sie im April 2014 melden. Ihr Superkondensator sei sehr leistungsfähig und außerdem relativ kostengünstig zu produzieren. Die Herstellung erfolgt mit einem Stabwalzverfahren und einer Tinte aus Kohlenstoff-Nanomaterialien, die durch eine magnetisch verstärkte Bogenentladung synthetisiert wird.

Zum Einsatz kommen Verbundwerkstoffe aus Kohlenstoff-Nanostrukturen, einschließlich hochreiner einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen-Flocken, die beide vielversprechende elektrische Eigenschaften und Synergieeffekte bei der Anwendung in Superkondensatoren zeigen. Die spezifische Kapazität erreicht bis zu 100 F/g, was etwa dreimal höher ist als bei ausschließlich mit Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellten Modellen.


Im gleichen Monat melden Wissenschaftler der Oregon State University (OSU) um Prof. Xiulei (David) Ji, daß auch sie eine Methode entdeckt haben, wie sich die Zellulose von Bäumen – der am häufigsten auftretende organische Polymer auf der Erde – zu hochwertigen Kohlenstoffelektroden für Superkondensatoren verarbeiten läßt.

Ihr schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung der Stickstoff-dotierten, nanoporösen Kohlenstoffmembranen basiert auf einer Ein-Schritt-Pyrolyse, bei der Zellulose in Gegenwart von Ammoniak in einem Ofen stark erhitzt wird.

Das einzige Nebenprodukt ist Methan, das als Brennstoff oder für andere industrielle Zwecke verwendet werden kann.

Als Ausgangsmaterial wird Zellulose-Filterpapier genutzt – konzeptionell ähnlich wie Einweg-Papierfilter von Kaffeemaschinen –, aus dem auf der Nano-Skala außerordentlich dünne Kohlenstoffmembranen entstehen, die allerdings eine Fläche von fast 2.000 m2/g haben.


Ebenfalls im April 2014 meldet sich die Rice University wieder zu Wort, wo es diesmal Forscher um Prof. James Tour sind, die einen nanoporösen Werkstoff präsentieren, der das Beste aus Batterien und Superkondensatoren vereinen soll. Prof. Tour hatte bereits die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus mittels Graphen erhöht.

Die vielversprechende Technologie wird als ultradünne, flexible und leistungsstarke Lithium-freie Batterie bezeichnet, die nur ein Hundertstel Zoll dick ist, und gleichzeitig auch als Superkondensator dient. Tour selbst spricht nicht von einem Superkondensator, sondern von einem elektrochemischen Kondensator mit dreidimensionalen nanoporösen Nickel-Fluorid-Elektroden um einen festen Elektrolyten.

Der Postdoktorand Yang Yang, Hauptautor der Veröffentlichung, kann es besser erklären. Seiner Beschreibung nach verhält sich der neue Werkstoff wie eine Batterie, hat aber die Struktur eines Superkondensators. Wird das System als Superkondensator genutzt,kann es bei einer hohen Stromrate schnell geladen und in einer sehr kurzen Zeit wieder entladen werden. Für andere Anwendungen ist es aber genauso möglich, das System wie eine Batterie langsamer zu laden und auch wieder langsam zu entladen.

Flexible Batterie

Flexible Batterie

Um den Batterie-Superkondensator-Hybrid herzustellen, wird eine 900 nm dicke Schicht aus Nickel-Fluorid (NiF2) auf einem Trägermaterial abgelagert, in die dann regelmäßig angeordnete Löcher mit 5 nm im Durchmesser geätzt werden, um die Oberfläche für die Speicherung von Ionen zu vergrößern. Nach Entfernen des Trägers wird das Nickel-basierte Elektrodenmaterial um einen festen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid in Polyvinylalkohol gewickelt. Unterstützende Kohlenstoffmaterialien oder leitende Polymere sind nicht erforderlich.

Bei Montage der nanoporösen Schicht zu einem symmetrischen zwei-Elektroden-System zeigt das anorganische Material eine maximale Kapazität von 66 mF/cm2 (entsprechend 733 F/cm3 oder 358 F/g), eine Energiedichte von 384 Wh/kg und eine Leistungsdichte von 112 kW/kg. Tests ergeben, daß auch nach 10.000 Lade/Entlade-Zyklen keine Verschlechterung der Porenstruktur oder wesentliche Verschlechterung der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche eintritt. Die Herstellung der flexiblen nanoporösen 3D-Elektroden sei leicht auf industriellen Maßstab skalierbar – weshalb auch schon Gespräche mit interessierten Unternehmen zur Kommerzialisierung der Technologie geführt werden.


Wie aktuell die Entwicklungen im Bereich der Superkondensatoren sind, belegt die Vielzahl von Veröffentlichungen exakt zu der Zeit dieses Updates, im Mai 2014.

Wissenschaftler der Zhejiang University in Hangzhou, China, berichten von der Entwicklung eines koaxial nass-gesponnenen Superkondensator-Garns. Die Herausforderung war, die Energiedichte des Garns zu erhöhen, ohne dabei seine Hochleistungsdichte zu vermindern.

Ihre Lösung ist eine Naßspinnanordnung, um kontinuierlich mit Polyelektrolyten umhüllte Graphen/Kohlenstoff-Nanoröhrchen Kern/Mantel-Fasern zu spinnen, die direkt als sichere Elektroden verwendet werden, um daraus Zweifach-Superkondensator-Garn zu machen. Die Garn-Superkondensatoren zeigen mit flüssigen und festen Elektrolyten extrem hohe Kapazitäten von 269 bzw. 177 mF/cm2 und Energiedichten von 5,91 bzw. 3,84 μWh/cm2. Aus zwei einzelnen, jeweils 40 cm langen Koaxial-Fasern wird auch ein Superkondensator Tuch gewoben, das handelsüblichen Kondensatoren weit überlegen sei.


Produktentwickler, Ingenieure und Wissenschaftler um Prof. Yuan Chen an der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur, die mit Partnern der Tsinghua University in China und der Case Western Reserve University in den Vereinigten Staaten zusammenarbeiten (hier ist es wiederum Prof. Liming Dai), setzen auf einen Festkörper-Mikrosuperkondensator aus einem Paar von Fasern, die mit einem zusammenhängenden Netz aus Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine bislang unerreichte Volumensdichte von 6,3 µWh/mm3 erzielen. Als Elektrolyt wird ein Polyvinylalkohol/Phosphorsäure-Gel verwendet.

Für die Herstellung ihrer Hybridfaser wird eine Lösung, die mit Säure oxidierte, einwandige Nanoröhrchen, Graphen und Ethylendiamin enthält, welches die Synthese fördert und das Graphen mit Stickstoff dotiert, durch eine flexible, schmale, verstärkte Kapillarsäule gepumpt und in einem Ofen sechs Stunden lang erhitzt.

Graphen-Blätter mit einer Dicke von einem bis wenige Atome, sowie ausgerichtete, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden per Selbstorganisation ein vernetztes, poröses Netzwerk über die gesamte Länge der Faser. Die Anordnung liefert für den Transport und die Lagerung von Ladungen eine sehr große zugängliche Oberfläche von 396 m2/g Hybridfaser. Beim Einsatz mehrerer Kapillarsäulen ist die kontinuierliche Herstellung von Fasern mit konsistenter Qualität möglich. Bislang sind 50 m lange Fasern mit 300 F/cm3 produziert worden, es gäbe jedoch keine prinzipielle Grenze bei der Länge.

Bei ihren Tests finden sie heraus, daß die Ausgangspannung durch drei Paare von in Reihe geschalteter Fasern verdreifacht werden kann, während die Lade/Entlade-Zeit gleich bleibt. Werden mehrere Faser-Paare zwischen zwei Elektroden integriert, erhöht sich die Kapazität linear entsprechend der Anzahl der verwendeten Fasern. Auch nach 10.000 Lade/Entlade-Zyklen behält die Vorrichtung etwa 93 % ihrer ursprünglichen Leistung bei.

Die Forscher planen nun, die Technologie auf einen industriellen Maßstab zu skalieren, um dann zur kostengünstigen Massenproduktion der Fasern und zur Kommerzialisierung ihrer Hochleistungs-Mikro-Superkondensatoren überzugehen.


Ein Team um Prof. Mircea Dincă am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, das mit Forschern der Harvard University zusammenarbeitet, beschäftigt sich mit einem zweidimensionalen Material, dessen Eigenschaften dem Graphen sehr ähnlich sind, aber einige deutliche Vorteile hat - einschließlich der Tatsache, daß dieses Material eine natürliche und nutzbare Bandlücke hat, weshalb es sich auch für den Einsatz als Solarzelle eignet.

2D-Nickel-Material Grafik

2D-Nickel-Material
(Grafik)

Das neue Material, eine Kombination aus Nickel und einer organischen Verbindung namens HITP, hat außerdem den Vorteil der Selbstorganisation. Die entstehende Verbindung, Ni3(HITP)2 weist eine perfekt sechseckige Wabenstruktur auf, wie Graphen, und mehrere Schichten des Materials bilden perfekt ausgerichtete Stapel mit Öffnungen in den Zentren der Sechsecke, wobei diese Öffnungen alle exakt die gleiche Größe haben, etwa 2 nm im Durchmesser.

In ihren ersten Experimenten untersuchen die Forscher das Material in loser Form und nicht als flache Platten; es wird erwartet, daß die beeindruckenden Ergebnisse – darunter auch eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit – in einer 2D-Version des Materials noch besser sein werden. Darüber hinaus ist dies nur das erste einer vielfältigen Familie ähnlicher Materialien, die aus unterschiedlichen Metallen oder organischen Verbindungen gebaut werden könnten.

Die Wissenschaftler sprechen schon von einem ganzen Arsenal der organischen und anorganischen Synthesen, die genutzt werden könnten, um Eigenschaften wie Präzision auf atomarer Ebene zu optimieren und/oder nahezu unendliche Haltbarkeit von Superkondensatoren zu erreichen. Ihre Arbeit wird vom US-Energieministerium und dem Center for Excitonics am MIT unterstützt.


Die letzte Meldung dieses Monats (und dieses Updates) stammt aus der University of Manchester, wo die Professoren Andrew Forsyth und Robert Dryfe im Rahmen eines neuen Forschungsprojekts unter dem Titel ,Elektrochemische Energiespeicherung mit Graphen-fähigen Materialsverschiedene Möglichkeiten erkunden, um durch Zugabe von Graphen als Materialkomponente die Größe und das Gewicht von Batterien zu reduzieren und ihre Lebensdauer zu verlängern.

Damit schließt sich ein Kreis, denn Manchester ist die Heimat des zweidimensionalen Graphen, das hier im Jahr 2003 von Konstantin ,Kostya Novoselov und Andre Geim erstmals isoliert und 2004 veröffentlicht wurde – wofür die beiden 2010 den Nobelpreis für Physik erhielten. Auch kommerziell ist das Ganze ein Erfolg, und Graphen@Manchester – wie sich das Unternehmen kurz nennt – arbeitet bei Forschungsprojekten und Anwendungen inzwischen mit mehr als 30 Firmen und Handelspartnern auf der ganzen Welt zusammen, darunter Rolls-Royce, Sharp und Morgan Advanced Materials.

Ein Schwerpunkt des neuen Projekts sind Graphen-basierte Superkondensatoren, die in Kombination mit Batterien der Elektromobilität einen ordentlichen Schub sollen. Bevor die Batterien gebaut werden, wird nun erforscht, wie Graphen mit den chemischen Komponenten interagiert – speziell mit den Elektrolyten –, und wie schnell Elektronen durch Graphen wandern können.


In dieser Übersicht nicht weiter behandelte Hersteller von Standard-Superkondensatoren sind die japanischen Firmen Advanced Capacitor Technologies Inc., NEC Tokin Corp., Nippon Chemi-Con, Nisshinbo, Seiko Instruments, Shin-Kobe Electric Machinery Co. Ltd. und Taiyo Yuden Energy Device Co. Ltd., während aus Südkorea die Unternehmen Korchip, LS Mtron Ltd., Pureechem Co. Ltd., Samwha Electric Co. Ltd. und Vina Tech Co. Ltd. bekannt sind.

 

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