3D-gedruckte Graphen-Struktur für Superkondensator

Superkondensatoren sind Kondensatoren mit einer geringen Energiedicht. Dadurch können sie Schaltfrequenzen aushalten, die bis zu 100-mal höher sind als bei vergleichbaren normale Kondensatoren. Die Universität von Kalifornien Santa Cruz (UCSC) und das Lawrence Livermore Laboratory (LLNL) haben ein neues Druckverfahren entwickelt um Elektroden auf Graphenbasis zu drucken. Die gedruckten Elektroden sind vergleichbar mit Superkondensatoren.

Das Forschungsteam hat ein Paper mit dem Namen „Efficient 3D Printed Pseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO₂ Loading“ veröffentlicht, in dem sie die neue Drucktechnologie beschreiben und welche Einsatzgebiete es in Zukunft für dieses Verfahren gibt.

Graphen ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur. Im Vergleich zu Metall hat es eine geringere Dichte mit besseren thermischen und elektrischen Leitwerten. Das Graphen wird verwendet um Pseudokondensatoren zu fertigen, welche auf ihrer Oberfläche Elektronen anhäufen können und so ein batterieähnliches Verhalten haben. Das Graphen-Airgel wird als Struktur gedruckt und das pseudokapazitive Material Manganoxid (MnO₂) speichert die Ladungsträger.

“Wir haben erfolgreich eine niedrige volumetrische Kapazität in 3D-gedruckten Graphen-Aerogel-Elektroden erreicht, indem wir mehr Nanomaterialien in dieses poröse Graphen-Gerüst” füllen “und deren Dichten erhöhen”, erklärt Professor Yat Li von der UCSC-Abteilung für Chemie und Biochemie.

Die Zukunft der Akkus?

Laut den Forschern sind Superkondensatoren in Bereichen mit begrenzter Oberfläche sehr interessant. Das Elektroauto wäre eine wichtige Anwendung für diese Technologie, weil die Superkondensatoren eine sehr hohe Leistung aushalten können bei hohen Lastunterschieden. Das Forschungsteam hat eine Kapazität von 44,13 F cm, bei einer Beladung von 182,2 mg cm erreicht.

„Unsere 3D gedruckten Graphen-Airgel/MN02- Elektroden haben hoch volumetrische Kapazitäten erreicht, hunderte höher als die reinen Graphen-Airgel-Elektrode.“

Testweise wurden die Elektroden schon in Straßenbahnen und Schienen eingesetzt, wobei sie dort auf Stromabnehmern montiert wurden. Durch Weiterentwicklung der Technologie, könnten sie das Elektroauto stark unterstützen, denn eine geringe Reichweite ist zu verschmerzen, wenn die Ladezeit nur Minuten dauert.