Batterien der Zukunft und Energie aus „dünner Luft“

Superkondensatoren, sogenannte „Super-Caps“ können schnell große Mengen Energie speichern und abgeben. Für die langfristige Speicherung sind sie jedoch (noch) nicht geeignet. Ein Forscherteam aus London hat einen biegsamen Superkondensator aus Graphen entwickelt, der sich schnell und sicher auflädt und ein rekordverdächtiges Energieniveau über einen langen Zeitraum speichert.

Dr. Zhuangnan Li vom University College London (UCL) und Erstautor der in Nature Energy veröffentlichten Entdeckung, sagte: Die Technik „ist äußerst vielversprechend.“ Entweder könnte sie als Batterien der Zukunft Anwendungen antreiben oder konventionelle Batterien für den Extraschub Leistung unterstützen.

Eine höhere Energiedichte als normale Batterien

Bisher scheiterten schnell ladende Superkondensatoren an der geringen speicherbaren Energiemenge. Li sagte: „Wir haben Materialien entwickelt, die sowohl eine hohe Leistungsdichte […], als auch eine hohe Energiedichte ermöglichen […]. Normalerweise kann man nur eine dieser Eigenschaften haben. Der entscheidende Durchbruch ist, dass unser Superkondensator beides bietet.“

Elektroden aus Graphen, dessen Porengröße verändert werden kann, speichern die Ladung effizienter als herkömmliche Kondensatoren. Auf diese Art und Weise konnten die Forscher die Energiedichte auf 88,1 Wh/l (Wattstunden pro Liter) steigern. Ähnlich schnell aufladende Kondensatoren weisen hingegen nur eine Energiedichte von 5 bis 8 Wattstunden pro Liter auf.

Konventionelle Batterien, wie sie in E-Autos verwendet werden, weisen mit 50 – 90 Wh/l eine ähnliche Energiedichte auf. Die Leistungsdichte übersteigt die von Batterien jedoch um zwei Größenordnungen. Die neuen Superkondensatoren können pro Liter etwa 10.000 Watt speichern.

E-Autos in zehn Minuten vollständig aufladen

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist die Flexibilität des Energiespeichers. So kann sich der Superkondensator „bis zu 180 Grad biegen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen“, erklärt Li. Zudem sind keine flüssigen Elektrolyten enthalten. Dies wiederum minimiert die Explosionsgefahr und ermöglicht die Integration in biegsame Technik oder tragbare Elektronik.

Der Superkondensator aus Graphen lässt sich schnell und sicher aufladen, speichert viel Energie über einen langen Zeitraum und ist außerdem biegsam. Foto: Dr Zhuangnan Li / UCL

Selbst bei einer Biegung von 180 Grad lieferte der Kondensator fast die gleiche Leistung wie in der Ebene. Selbst nach 5.000 Ladezyklen behielt er 97,8 Prozent seiner Kapazität, so die Forscher.

UCL-Professor Ivan Parkin sagte: „Die erfolgreiche Speicherung einer riesigen Energiemenge in einem kompakten System ist ein bedeutender Schritt [für die Batterien der Zukunft]. Wir haben gezeigt, dass es sich schnell auflädt, dass wir seine Leistung kontrollieren können und dass es eine ausgezeichnete Haltbarkeit und Flexibilität aufweist, das macht es ideal für die Entwicklung für den Einsatz in miniaturisierter Elektronik und Elektrofahrzeugen. Stellen Sie sich vor, Sie brauchen nur zehn Minuten, um Ihr Elektroauto vollständig aufzuladen, oder ein paar Minuten für Ihr Telefon, das dann den ganzen Tag lang hält.“

Überall Strom „aus dünner Luft“ erzeugen

Auf der anderen Seite des Atlantiks arbeiten Forscher an einem Generator, der buchstäblich Elektrizität aus dünner Luft erzeugen kann. Wissenschaftler der Universität von Massachusetts (UMass) Amherst haben ein Gerät entwickelt, das ein natürliches Protein zur Erzeugung von Elektrizität aus der Luftfeuchtigkeit verwendet. Den sogenannten „Air-gen.“ oder luftbetriebenen Generator stellten die Forscher in der Zeitschrift Nature vor.

Der Air-gen von Elektroingenieur Jun Yao und dem Mikrobiologen Derek Lovley verbindet Elektroden mit den Protein-Nanodrähten. Diese elektrisch leitfähigen Protein-Nanodrähte erzeugen aus dem in Atmosphäre natürlich vorhandenen Wasserdampf elektrischen Strom.

Illustration der Protein-Nanodrähte (grün), die aus Luftfeuchtigkeit Elektrizität erzeugen. Foto: UMass Amherst/Yao and Lovley labs

„Wir machen buchstäblich Elektrizität aus dünner Luft“, sagt Yao. „Der Air-Gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie.“ Sein Kollege Lovely fügt hinzu: „Es ist die bisher erstaunlichste und aufregendste Anwendung von Protein-Nanodrähten“.

Xiaomeng Liu, ein Doktorand in Yaos Labor, entwickelte gerade Sensorgeräte, als er etwas Unerwartetes bemerkte. Er erinnert sich: „Ich sah, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte auf eine bestimmte Art und Weise mit Elektroden in Kontakt kamen. Ich stellte fest, dass die Aussetzung an die Luftfeuchtigkeit wesentlich war, dass die Protein-Nanodrähte Wasser adsorbierten und einen Spannungsgradienten über das Gerät erzeugten.“

Smartwatches, Handys und Häuser, die nicht geladen werden müssen

Die Technologie ist laut den Forschern umweltfreundlich, erneuerbar und kostengünstig. Sie könne selbst in Gebieten mit extrem niedriger Luftfeuchtigkeit wie der Sahara Energie erzeugen und habe erhebliche Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energie, einschließlich Sonne und Wind, denn sie „funktioniert sogar in Innenräumen“, so Lovley.

Die Forscher sagen, dass ihre aktuellen Luft-Generatoren in der Lage sind, kleine Elektronik zu betreiben. Als nächste Schritte planen sie die Entwicklung eines kleinen Air-Gen-„Pflasters“, das elektronische Geräte wie Gesundheits- und Fitnessmonitore sowie Smartwatches mit Strom versorgen kann. Langfristig hoffen die Wissenschaftler zudem das periodische Aufladen von Mobiltelefone zu eliminieren.

Yao sagt: „Das ultimative Ziel ist die Herstellung von Großsystemen. Die Technologie könnte zum Beispiel in Wandfarben integriert werden, die die Stromversorgung des Hauses unterstützt. Oder wir könnten eigenständige, luftbetriebene Generatoren entwickeln, die Strom ins Netz liefern.“

(Mit Material des University College London und der University of Massachusetts)