Günstiger Super-Kondensator aus München übertrifft alle Akkus!

Summary

German 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

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😀 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.

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😀 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.

Keywords

💡Super Capacitors

Super capacitors, also known as supercapacitors or ultracapacitors, are high-capacity capacitors with capacitance values much higher than other capacitors. They bridge the gap between electrolytic capacitors and rechargeable batteries, offering quick charging and discharging capabilities, high power density, and the ability to endure millions of cycles without significant degradation. In the video, super capacitors from Germany are highlighted for their potential to replace lithium batteries, due to their high efficiency, temperature stability, ability to be deeply discharged, and rapid charge/discharge rates. This innovation addresses the traditional limitations of super capacitors, such as low energy density, making them suitable for broader applications, including electric vehicles, energy storage, and military applications.

💡Energy Density

Energy density is a key measure of energy storage, representing the amount of energy stored in a given system or space per unit volume or mass. In the context of the video, the energy density of super capacitors is compared to that of lithium-ion batteries. Initially, super capacitors had lower energy densities, making them less suitable for applications requiring long-term energy storage. However, advancements in materials science, particularly with the use of graphene and metal-organic frameworks, have significantly improved their energy density, making them competitive with traditional batteries in certain applications.

💡Graphene

Graphene is a single layer of carbon atoms arranged in a two-dimensional honeycomb lattice. It is renowned for its exceptional electrical conductivity, mechanical strength, and thermal conductivity. In the video, graphene is mentioned as a breakthrough material for increasing the surface area of electrodes in super capacitors, thereby enhancing their energy storage capacity. By creating electrodes with minimal thickness but large surface area, researchers have been able to address the capacity limitations of super capacitors, bringing their energy density closer to that of conventional batteries.

💡Charge Cycle

A charge cycle refers to the process of charging a rechargeable battery and then discharging it, which counts as one complete cycle. The video contrasts the charge cycle durability of lithium batteries and super capacitors, highlighting that super capacitors can endure up to a million cycles with minimal degradation. This is significantly higher than the typical lithium-ion battery, which usually supports several thousand cycles before its capacity begins to noticeably decline. This makes super capacitors highly durable and suitable for applications requiring frequent and rapid charging and discharging.

💡Electrochemical Processes

Electrochemical processes involve chemical reactions that result in a flow of electrons, which is fundamental to the operation of batteries. The video explains that unlike batteries, super capacitors do not rely on electrochemical processes but rather on physical principles to store and release energy. This distinction is crucial because it means super capacitors can charge and discharge much faster than batteries and do not suffer from the same degradation mechanisms, such as the formation of dendrites, which can reduce lifespan and safety.

💡Market Growth

Market growth refers to the increase in the size and value of a market over time. The video cites reports predicting a strong growth rate for the super capacitor market, with annual growth rates between 11-23%, indicating a potential doubling of the market size in 3-6 years. This growth is attributed to the expanding applications of super capacitors, driven by advancements in technology that improve their energy density and efficiency, making them more competitive with traditional battery technologies.

💡Helmholtz Double Layer

The Helmholtz double layer is a concept in electrochemistry that describes the structure of charge accumulation at the interface between a solid electrode and a liquid electrolyte. In super capacitors, this phenomenon allows for the efficient storage of energy. When voltage is applied, ions in the electrolyte form a layer near the electrode surface, creating a double layer of charges that stores energy electrostatically. This mechanism is central to the operation of super capacitors, as highlighted in the video, because it enables the rapid charge and discharge cycles and high efficiency of these devices.

💡Material Innovation

Material innovation refers to the development and application of new materials to improve the performance and functionality of products. In the context of the video, innovative material research, particularly in graphene and metal-organic frameworks, has significantly enhanced the capabilities of super capacitors. These materials increase the surface area of electrodes, improving the energy storage capacity and efficiency of super capacitors, which has been a critical factor in making them viable alternatives to lithium batteries for certain applications.

💡Self-Discharge Rate

The self-discharge rate is the rate at which a battery or capacitor loses its charge when not in use. The video mentions that super capacitors have a relatively high self-discharge rate compared to lithium batteries, which could be a drawback for some applications. However, for many applications, such as in the automotive industry, energy storage, and industrial uses, this limitation is deemed irrelevant due to the advantages of super capacitors in terms of charging speed, lifespan, and environmental friendliness.

💡Commercialization Timeline

The commercialization timeline refers to the period required to bring a new technology from the research and development stage to the market. According to the video, super capacitors are expected to become commercially available within 2-7 years, as indicated by Dr. Andreas Battenberg of TU München. This timeline takes into account the need for developing production processes, conducting long-term tests, and scaling up manufacturing to meet market demands. The video underscores the significance of transitioning from laboratory research to market-ready products, highlighting ongoing efforts to commercialize super capacitor technology.

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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