Das Team um Prof. Dr. Andrea Balducci vom Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Universit?t Jena startet in diesem Monat mit zwei Projekten im Rahmen des EU-Programms ?Novel materials for supercapacitor energy storage“ und erh?lt dafür eine F?rderung von insgesamt rund 950.000 Euro. Ziel sind neuartige Superkondensatoren, die nicht nur leistungsf?higer sind als bestehende Systeme, sondern vor allem auch nachhaltiger.

Bis zum Jahr 2050 will die EU klimaneutral sein. Dieses ehrgeizige Ziel ist nur zu erreichen, wenn in allen gro?en Bereichen – vom Verkehr, über die Industrieproduktion bis zur Energieversorgung – statt auf fossile ausschlie?lich auf erneuerbare Energietr?ger gesetzt wird. Doch nicht nur die Energieressourcen und ihre Gewinnung sind dabei entscheidend. ?Zus?tzlich braucht es auch Energiespeichersysteme, die die zeitlich und r?umlich schwankenden erneuerbaren Energien klimafreundlich speichern k?nnen“, macht Andrea Balducci deutlich.?

Heute stellen die Lithium-Ionen-Batterien den Hauptanteil an mobilen Energiespeichern. Diese sind in den verschiedensten Ger?ten zu finden, vom Smartphone bis zum E-Auto. Lithium-Ionen-Akkus weisen eine hohe Energiedichte auf, sie k?nnen also viel Energie speichern. Auf der anderen Seite ist ihre Umweltbilanz zum Teil verheerend: Sie enthalten neben Lithium auch Kobalt und Aluminium, deren Ressourcen begrenzt sind und deren Abbau gro?e Umweltsch?den verursacht. ?Auch wenn die Lithium-Ionen-Batterie heute noch unverzichtbar ist, mittel- und langfristig werden wir sie vollst?ndig ersetzen müssen“, so Balducci. Der Professor für Angewandte Elektrochemie und sein Team suchen in den beiden neuen EU-Projekten nach Alternativen.

Verzicht auf kritische Ausgangsstoffe

Im Zentrum der Forschungsbestrebungen stehen dabei Superkondensatoren. Diese Energiespeicher haben gegenüber den Batterien den Vorteil, dass sie in Sekundenschnelle aufgeladen sind und dabei eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aufweisen. Im Projekt mit dem Titel ?Greencap“ (Graphene, MXene and ionic liquid-based sustainable supercapacitor) plant das Konsortium bestehend aus Teams aus sieben L?ndern in den kommenden drei Jahren Superkondensatoren aus 2D-Materialien zu bauen. Diese sollen den bisherigen Nachteil gegenüber Batterien – die geringere Energiedichte – wettmachen. Dafür nutzen sie als Elektrodenmaterial Graphen und sogenannte MXene aus Titan und Kohlenstoff, die nur eine Atomlage dünn sind und damit eine extrem gro?e Oberfl?che aufweisen. Die Jenaer Chemiker steuern hier die innovativen Elektrolyte bei: ionische Flüssigkeiten und Gemische aus solchen und organischen L?sungsmitteln. ?Gegenüber bestehenden Elektrolyten haben diese den Vorteil, dass sie dank ihrer hohen Leitf?higkeit, die Speicherkapazit?t des Kondensators verbessern“, unterstreicht Andrea Balducci. Au?erdem sind ionische Flüssigkeiten nachhaltig, da sie ohne kritische Rohstoffe auskommen und gut zu recyceln sind.?

Eine weitere Strategie, welche im zweiten Projekt ?MUSIC“ (Materials for sustainable Sodium Ion Capacitors) verfolgt wird, ist es das Konzept von Lithium-Ionen-Akkus mit dem von Superkondensatoren zu kombinieren. Gleichzeitig soll dabei das umweltbelastende Lithium durch das umweltvertr?glichere Natrium ersetzt werden. Im Rahmen des über vier Jahre gef?rderten Projektes, an dem Partner aus fünf europ?ischen L?ndern beteiligt sind, sollen Natrium-Ionen-Kondensatoren bis zur Marktreife entwickelt werden. ?Diese vereinen die Vorteile beider bisherigen Systeme“, erl?utert Balducci. ?Sie werden die Energiedichte von Batterien aufweisen und die Lebensdauer und Ladezeiten von Kondensatoren.“ Und das bei einem vollst?ndigen Verzicht auf kritische Ausgangsstoffe. Balducci und sein Jenaer Team werden sich auch hier vor allem auf die Entwicklung und Charakterisierung von Elektrolytl?sungen konzentrieren, auf die die Forschenden spezialisiert sind. Am Projektende soll ein Prototyp eines Natrium-Ionen-Kondensators vorliegen.