Günstiger Super-Kondensator aus München übertrifft alle Akkus!
Summary
TLDRGerman researchers have developed optimized supercapacitors using graphene that can replace lithium-ion batteries. Supercapacitors have up to 98% efficiency, can withstand over 1 million charge cycles, work in extreme temperatures, and charge in seconds. Their main limitation was low capacity compared to batteries. Researchers at TU Munich solved this by using a graphene electrode supported by a scaffolding structure, achieving an energy density comparable to nickel batteries. Though still years from commercialization, supercapacitors will likely replace batteries in many applications where their fast charging and extreme durability outweigh slightly lower capacity.
Takeaways
- 😲 Supercapacitors from Germany with optimized energy density could replace lithium-ion batteries
- 🤓 Supercapacitors can achieve up to 98% efficiency, survive 1 million charge cycles, are temperature stable, can be deep discharged and charged within seconds
- 🔋 Unlike batteries, supercapacitors store energy physically/electrically without sensitive electrochemical processes
- 🚗 Supercapacitors are already used in military, vehicles and sports but were previously unsuitable for mass market due to low capacity
- 📈 The global market for supercapacitors is growing rapidly at 11-23% annually
- 🔬 Researchers at TU Munich solved the fundamental problem of low capacity using innovative materials like graphene
- ⚡ Graphene provides maximum surface area and conductivity resulting in supercapacitor energy density nearing lithium batteries
- 🏭 Companies like Skeleton Technologies and Siemens are now producing supercapacitors commercially in Germany
- ⏳ It may take 2-7 years for supercapacitors to fully replace lithium batteries in consumer applications
- 💡 Supercapacitors will be key for buffer storage, grid and PV systems, EVs, while redox flow batteries are also promising
Q & A
What is the main advantage of supercapacitors over lithium-ion batteries?
-Supercapacitors have a much higher efficiency of up to 98%, can withstand over a million charge cycles, are temperature stable, can be fully charged and discharged within seconds, and use more environmentally friendly materials.
Why have supercapacitors not been suitable for widespread commercial use until now?
-Previous supercapacitors had an energy density that was too low for many applications due to insufficient capacitor surface area.
How did researchers at TU München solve the problem of low energy density?
-By using a scaffold made of metal-organic frameworks to separate layers of graphene, the surface area could be greatly increased to store more energy.
What is graphene and what makes it useful in supercapacitors?
-Graphene is a one-atom thick sheet of carbon arranged in a hexagonal structure. It conducts electricity extremely well, is very robust, and provides a maximum surface area to volume ratio.
How much energy can the new supercapacitors store?
-Around 80 Wh/kg, which is close to nickel-metal hydride batteries and sufficient for many applications where fast charging is critical.
When could the new supercapacitors reach commercial use?
-In around 2-7 years, according to Dr. Andreas Battenberg. Further testing and establishing manufacturing processes are still needed.
What companies are already commercializing similar supercapacitor innovations?
-Notable companies include Maxwell Technologies, Cap-XX, Skeleton Technologies and Eaton.
In which sectors will supercapacitors likely play a key role?
-Automotive industry, grid and PV energy storage, buffer energy storage, and industrial applications.
What is another competing energy storage technology called redox flow batteries?
-They can also withstand over 50,000 charge cycles and are made of abundant, non-toxic materials by companies like CMBlu.
Where can I learn more about the research and companies mentioned?
-Click on the linked video at the end of the script to learn more details.
Outlines
😀 Supercapacitors – The energy storage miracle from Germany
German researchers have developed optimized supercapacitors that can potentially replace lithium batteries. Supercapacitors have up to 98% efficiency, can withstand over 1 million charge cycles, are temperature stable, can be fully charged in seconds, and involve no sensitive electrochemical processes. They have been used in military, vehicles, and sports but were previously limited by low capacity. Researchers at TU Munich and companies in Germany have now solved this by using graphene electrodes, achieving comparable energy density to nickel batteries. Supercapacitors have major advantages like speed, durability and materials. Commercial use is still 2-7 years away but related innovations are being commercialized already. Supercapacitors will be key for buffer storage, grid storage, solar storage and automotive.
😀 How supercapacitors work – the physical principle
Unlike lithium batteries, supercapacitors store energy via a physical rather than chemical process. Applying a charge polarizes the electrodes (+/-). Ions then form a Helmholtz layer at the electrode surfaces to balance this, storing the energy in an electric field. This is completely reversible with no degradation, enabling unlimited cycles. The key is increasing electrode surface area. The TU Munich researchers achieved this using a graphene aerogel separated by metal-organic frameworks. With further improvements to materials and manufacturing, supercapacitors will overcome limitations like self-discharge and take over applications where their speed and durability outweigh slightly lower energy density than lithium batteries.
Mindmap
Keywords
💡Super Capacitors
💡Energy Density
💡Graphene
💡Charge Cycle
💡Electrochemical Processes
💡Market Growth
💡Helmholtz Double Layer
💡Material Innovation
💡Self-Discharge Rate
💡Commercialization Timeline
Highlights
Supercapacitors from Germany could replace lithium batteries.
Supercapacitors achieve efficiencies of up to 98%, survive up to 1 million charge cycles, are temperature stable, can be deeply discharged, and can be fully charged and discharged in just seconds.
Supercapacitors currently find use in the military, selected vehicles and top-level sports, but were previously considered unsuitable for the mass market due to their low capacity.
Researchers at the Technical University of Munich and companies in Germany have successfully solved the fundamental problem of low capacity in supercapacitors.
The market for supercapacitors is currently experiencing extremely strong growth with annual rates of 11-23%.
Skeleton Technologies and Siemens have invested 220 million euros in a supercapacitor production facility in Markranstädt, Germany.
Supercapacitors store energy through electrostatic rather than electrochemical processes, enabling unlimited charge cycles.
Increasing the electrode surface area can help solve the capacity problem of supercapacitors.
Graphene provides the ideal electrode material due to its extremely high surface area to volume ratio.
Researchers at TU Munich used a scaffold of metal-organic frameworks to prevent graphene sheets from sticking together, dramatically increasing the available surface area.
Supercapacitors now achieve an energy density comparable to nickel metal hydride batteries, but with far greater efficiency, charge speed and longevity.
Commercial viability of supercapacitor innovations will likely take 2-7 more years.
Companies like Maxwell, Cap-XX, Skeleton and Eaton are bringing supercapacitor innovations to market now.
Supercapacitors will be key for buffer storage, grid storage, PV storage and automotive applications.
Redox flow batteries are another promising long-life, sustainable energy storage technology invented in Germany.
Transcripts
Optimierte Super-Kondensatoren aus Deutschland könnten Lithium-Akkus ersetzen. (Quelle 1, 2, 6)
Generell erreichen solche Stromspeicher Wirkungsgrade von bis zu 98% überleben
selbst 1mio Ladezyklen, sind temperaturstabil, können tiefentladen werden und sogar in nur
einer einzigen Sekunde aufgeladen und entladen werden. (Quelle 7)
Das liegt daran, dass hier keine sensiblen
elektrochemischen Prozesse wie in Batterien ablaufen.
Schon jetzt finden sie im Militär, ausgewählten Fahrzeugen oder im Spitzensport
Einsatz. Für die breite Masse galten sie allerdings als ungeeignet,
weil die Kapazität dieser Speicher zu gering ausfiel. (Quelle 1, 2, 7)
Das Verhältnis von Gewicht zu Kapazität und auch von Volumen zu Kapazität war einfach für
viele Anwendungsgebiete viel zu niedrig. (Quelle 1, 2, 7)
Doch dieses fundamentale Problem der Kondensatoren wurde von Forschern der
TU München, sowie einigen Unternehmen u.a. in Deutschland erfolgreich gelöst! (Quelle 1, 2, 6)
Und das mit innovativer Materialforschung.
Brauchen wir also überhaupt noch Akkus,
wie funktionieren die Super-Kondensatoren und wann finden wir diese statt Akkus in jedem Gerät vor?
–INTRO–
Nach Analysen von Mordor Intelligence und Fortune Business Insights wächst der Markt
für Super-Kondensatoren gerade extrem stark an. (Quelle 4, 5)
Die jährliche Wachstumsrate beträgt 11-23%. Damit
verdoppelt sich die Marktgröße in nur 3-6 Jahren. (Quelle 4, 5)
Der größte Markt liegt in Europa, der schnellst wachsende Markt ist
allerdings der Raum Asien-Pazifik. (Quelle 4)
Doch die aktuelle Forschung aus Deutschland zeigt, dass wir noch wettbewerbsfähig sind!
Und nicht nur das. Dass Deutschland Humankapital, also kompetente Arbeiter und Entwickler im
Ingenieur- und energietechnischen Sektor besitzt, erkennen auch große Unternehmen aus dem Ausland.
So wurde in Markranstädt in Sachsen ein Werk für Superkondensatoren gebaut und
kürzlich in Betrieb genommen. Skeleton Technologies und Siemens investierten
in den Standort 220 Millionen Euro. (Quelle 6, 8)
Hier werden ganz gezielt Superkondensatoren für
den Automobilsektor, Stromnetze und die Industrie produziert (Quelle 6)
Der Superkondensator ist also alles andere als eine zukunftsferne Labortechnologie.
Doch wie funktioniert dieser Energiespeicher eigentlich genau?
Äußerlich erinnert ein Superkondensator stark
an eine Batterie. Das Innere ist jedoch gänzlich anders aufgebaut.
Ich habe mir die Zeit genommen, das mal ordentlich in einem 3D-Programm zu animieren.
Typischerweise besteht ein Lithium-Ionen-Akku aus einer Kathode
mit einer Lithium-Metall-Oxid-Verbindung oder auch Lithium-Ferrophosphat und einer
Graphit-Anode, sowie Separator und Elektrolyt. (Quelle 9)
Der Separator trennt die Anoden- und Kathodenseite voneinander ab,
damit es zu keinem Kurzschluss kommt. Der Elektrolyt wiederum ermöglicht einen Ionenfluss.
Beim Aufladen wandern Lithium-Ionen von der Kathode durch den Separator und werden in
die Graphit-Struktur der Anode eingelagert. Man spricht von Interkalation. (Quelle 9)
Die Ionen werden in die sechseckige Kohlenstoff-Struktur wie Bücher in ein
Bücherregal eingeräumt. Dieser Vorgang benötigt Energie, die in Form vom Ladestrom zugeführt wird!
Beim Entladen wandern die Ionen freiwillig zurück und Strom wird freigesetzt. Dieser
Vorgang erreicht eine Effizienz von über 90% und gilt als reversibel,
also umkehrbar. Doch leider stimmt das nicht ganz! (Quelle 9)
Mit jedem Ladezyklus nimmt die Kapazität ab. Die Zyklenzahl der Lithium-Technik
ist aktuell auf knapp 3000-10.000 Volladezyklen begrenzt. (Quelle 10)
Die chemischen Prozesse innerhalb der Akkuzelle führen zu Alterungserscheinungen. So bilden sich
z.B. durch Ablagerungen sogenannte Dendriten. Spitze Nadelstrukturen,
die die Struktur des Akkus zerstören können. (Quelle 9)
All das gibt es so beim Superkondensator in dieser Form nicht. Die hier eingesetzten
Elektroden und Isolationsmaterialien arbeiten rein nach physikalisch-elektrischen
Prinzipien und nicht etwa chemisch. (Quelle 1, 2, 3)
Die Energie wird in einem elektrischen Feld gespeichert.
Wird die Struktur aufgeladen bzw. werden die Elektronen mit Gleichstrom versorgt, lösen
sich nicht etwa Ionen und wandern hin und her. Stattdessen werden die Elektroden entgegengesetzt
polarisiert und ändern ihre Ladung. Es gibt eine + und eine - Seite. (Quelle 1, 2, 3, 11)
Nun rücken Ionen aus dem Elektrolyten an die polarisierten Elektroden und
bilden eine sogenannte Helmholtz-Doppelschicht. Hierdurch wird lokal der Ladungsunterschied, der
durch das Anliegen des Stromes an der Oberfläche erzeugt wird, ausgeglichen. (Quelle 1, 2, 3, 11)
Wird der Kondensator jetzt von der Stromquelle getrennt,
bleibt die Spannung trotzdem konstant und damit die Energie erhalten. Auf Bedarf
kann man später einen Energieverbraucher an den Kondensator anschließen und die Energie nutzen.
Das spannende hierbei: Das ist keine chemische
Reaktion. Die Ladungsträger wandern nur und werden nicht irgendwie eingelagert
oder gebunden. Man spricht in diesem Kontext auch von einem physikalischen Speicherprozess.
Das ermöglicht nahezu unbegrenzt Speicherzyklen, da alle Prozesse komplett reversibel,
also wieder problemlos umkehrbar sind und keinen Verschleiß verursachen.
Ebenfalls reagiert das System nicht sonderlich sensibel auf Extremtemperaturen. So können
diverse Systeme im Bereich von -40°C bis 85°C voll funktionstüchtig arbeiten. (Quelle 12)
Und sie können in Sekundenschnelle voll aufgeladen und eben auch entladen werden.
Doch ein Problem gibt es. Bzw. gab es: Die Kapazität.
Die elektrische Kapazität zwischen zwei Elektroden im Superkondensator ist gleich
dem Verhältnis der Ladungsmenge, die auf diesen Elektroden gespeichert ist,
und der zwischen ihnen herrschenden elektrischen Spannung! (Quelle 13)
Und jetzt der Knackpunkt: Mit Hinblick auf die Funktionsweise und
die Wechselwirkung mit dem Elektrolyten, Stichwort Helmholtz-Schicht, sollte klar sein, dass alle
relevanten Prozesse zur Energiespeicherung an der Oberfläche der Elektroden ablaufen. (Quelle 11)
Nur hier gibt es ja Kontakt zum Elektrolyt,
damit eine Helmholtz-Schicht gebildet werden kann. (Quelle 11)
Eine große Oberfläche ist wichtig für Superkondensatoren, damit sich eine
große Menge an Ladungsträgern an der Elektrode ansammeln kann.
Man kann sich das wie den Geschmackssinn auf der Zunge vorstellen. Es ist relativ egal, wie
dick die Zunge ist. Den Geschmack erlebt man nur durch die Rezeptoren auf der Oberfläche der Zunge.
Gelingt es also irgendwie, die Oberfläche der Elektroden zu erhöhen,
kann auch das Kapazitätsproblem gelöst werden.
Und genau hier gelang den Forschern der TU München ein Durchbruch! (Quelle 1, 2, 3, 14)
In der Vergangenheit verwendete man an den Elektroden hauptsächlich poröse Materialien.
Durch die kleinen Löcher in der Struktur wird die Oberfläche ja erhöht. (Quelle 1, 2, 3, 14)
Doch tatsächlich gibt es eine Möglichkeit, ein perfektes
Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis zu schaffen. Das ist aus mathematischer Perspektive gegeben,
wenn ein Objekt zwar eine Oberfläche, aber überhaupt kein Volumen besitzt. Ein 2D-Objekt.
Betrachten wir dafür mal einen Würfel, damit man das besser nachvollziehen kann.
Das Volumen berechnen wir, indem wir die Höhe mal die Breite, mal die Tiefe rechnen.
Je platter der Würfel wird, desto geringer wird das Volumen
im Verhältnis zur Oberfläche. Und genau dann, wenn eine Dimension,
nämlich Höhe oder Breite oder die Tiefe genau 0 beträgt, ist auch das Volumen unseres Gebildes 0.
Doch klar erkennbar ist noch, dass hier eine Oberfläche vorhanden
ist. Das ist die perfekte Elektrode. Eine Elektrode, die keine Dicke hat.
Klingt unrealistisch, aber genau das ist mit dem Wundermaterial Graphen möglich.
Graphen ist ein nur ein Atom dickes Material, das jedoch extrem gut Strom
leitet und zusätzlich auch noch unglaublich robust ist. Es besteht aus Kohlenstoff,
der in 6-eckiger Struktur angeordnet ist! (Quelle 15)
Würde man mehrere Folien davon zusammen nutzen und damit den verfügbaren Raum im Kondensator
ausfüllen, hätten wir die ideale Elektrode. Das wussten viele Forscher auch schon früher, doch
konnte man eine Graphen-Elektrode nicht umsetzen, weil das Graphen sehr leicht aneinander klebt.
Mehrere Graphenschichten haften gerne zusammen. Die Forscher der
TU München haben aber genau das Problem gelöst.
Die Idee: Ein Gerüst aus sogenannten
metallorganischen Netzwerken. Wie Säulen in einem Gebäude halten die metallorganischen Netzwerke die
Graphenschichten entfernt, sodass die Oberfläche für die Energiespeicherung genutzt werden kann.
Zusammen mit Graphensäure ergeben sich hervorragende Eigenschaften für
die positive Elektrode von Superkondensatoren.
Nun erreichen sie eine ähnliche Energiedichte wie
Nickel-Metallhydrid-Akkus, knapp 80 Wh/kg (Quelle 16)
Das ist zwar unter dem Wert moderner Lithium-Akkus mit 90-250Wh/kg jedoch
überwiegen in einer allumfassenden Bilanz klar die Vorteile des Superkondensators. (Quelle 17)
Wir haben eine Effizienz von bis zu 98%, eine Ladegeschwindigkeit im Sekundenbereich
und langlebiger in vielerlei Hinsicht. Zudem sind die Materialien des Superkondensators
auch noch günstiger und vor allem deutlich umweltfreundlicher als z.B. Lithium in Akkus.
Einzig und allein die Selbstentladungsrate dürfte in manchen Anwendungen noch problematisch sein.
Denn der Superkondensator verliert unter tausend Stunden seine Ladung. Das ist aber
im Automobilsektor, in der Industrie oder auch bei Solar-Heimspeichern komplett irrelevant.
Bis zur kommerziellen Nutzung wird genau diese Innovation allerdings noch 2-7 Jahre benötigen,
so Dr. Andreas Battenberg von der TU München laut dem MDR! (Quelle 2)
Von einer Forschungsarbeit zum fertigen Produkt ist nunmal ein weiter Weg. Ist. U. a. fehlt es
einfach an Produktionsprozessen, die gerade noch ausgearbeitet werden, aber auch an Langzeitttests.
Verwandte Innovationen und ähnliche Forschungsergebnisse
werden allerdings jetzt gerade auf den Markt gebracht und kommerzialisiert.
Nennenswert sind hier die Unternehmen Maxwell Technologies, Cap-XX,
Skeleton Technologies oder auch Eaton. (Quelle 18, 19, 20, 21)
Klar ist, der Superkondensator wird kommen.Überall dort, wo die Energiedichte
5-40% geringer als beim Lithium-Akku ausfallen darf, wird er eine valide Option darstellen.
Besonders in der Pufferspeicherung, bei Grid- und PV-Speichern aber
auch in der Automobilbranche wird der Superkondensator eine Schlüsselrolle spielen.
Nicht unterschätzen sollte man allerdings auch nicht die
Relevanz von sogenannten Redox-Flow-Speichern.
Sie erreichen ebenfalls weit über 50.000 Ladezyklen, können allerdings schon jetzt auf
bedarf in großen Mengen günstig produziert werden. Und das ohne Lithium oder irgendwelche Metalle.
Möglich macht das die Firma CMBlu die sogar ganze Bundesländer in Österreich autark macht.
Eine beeindruckende Technologie, die hier in Deutschland erfunden wurde. (Quelle 22)
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