Der Dünnfilm-Energiespeicher

US-Forscher haben Superkondensatoren entwickelt, die sich direkt auf Chips und Solarzellen aufbringen lassen.

Energiespeicher aus der Klasse der sogenannten Superkondensatoren können zwar im Vergleich zu Batterien beeindruckend häufig aufgeladen werden, doch ihre Aufnahmekapazität ist relativ gering. Das bedeutet, dass die Technik sich vor allem dann anbietet, wenn relativ kurze, intensive Energieimpulse gefordert sind – beispielsweise, um Batterien zu ergänzen. Für langandauernde Anwendungen wie die Versorgung eines Laptops oder gar eines Elektromotors eignen sich Superkondensatoren dagegen bislang nicht.

Forscher an der Drexel University in Philadelphia haben nun gezeigt, dass es möglich ist, mit einer aus der Halbleiter-Produktion stammenden Technik Dünnfilm-Superkondensatoren aus Kohlenstoff herzustellen. Ihr Vorteil: Sie speichern bis zu dreimal mehr Energie als herkömmliche Modelle. Dies ist zwar immer noch viel weniger als bei regulären Batterien, doch müssten Dünnfilm-Superkondensatoren letztlich nie ausgetauscht werden.

Vorstellbar wäre es beispielsweise, die neuen Dünnfilm-Energiespeicher direkt in Funkchips einzubauen – dort benötigen sie weniger Platz als herkömmliche Batterien. Eine andere Anwendungsform wäre die Direktmontage auf der Rückseite von Solarzellen sowohl in tragbaren Geräten als auch auf dem Dach. Die Energie, die während des Tages gespeichert wurde, könnte dann nach Sonnenuntergang wieder dezidiert abgegeben werden. Das Start-up Y-Carbon hat die Technik der Drexel University-Forscher deshalb lizenziert und arbeitet derzeit an der Kommerzialisierung.

Ein Superkondensator sei eine elektrische Energiequelle mit nahezu unendlicher Lebensdauer, meint Projektleiter Yury Gogotsi, Professor für Materialwissenschaften an der Drexel University. "Die Technik ist haltbarer als jede andere elektronische Komponente und muss so gut wie nie ersetzt werden." Während Batterien Energie mit Hilfe chemischer Reaktionen speichern und wieder abgeben, was sie mit der Zeit intern zerstört, arbeiten Superkondensatoren nach dem Prinzip der Übertragung von Oberflächenladungen. Sie können schneller aufgeladen werden und entladen sich auf Wunsch auch schnell. Weil dazu keine chemische Reaktion am Elektrodenmaterial notwendig ist, lässt sich dieser Zyklus hunderttausendfach wiederholen.

Dünnfilm-Superkondensatoren werden schon seit längerem erforscht, allerdings war es vor der Drexel-Arbeit nicht gelungen, eine adäquate Speicherkapazität zu erreichen, die sich in die Serienproduktion überführen ließ. Dies benötigte mehrere Jahre, bevor praktische Demonstrationen möglich wurden.

Die Gogotsi-Gruppe nutzt eine Hochvakuummethode, die sogenannte chemische Gasphasenabscheidung. Dabei wird ein Dünnfilm aus Metallcarbiden auf der Oberfläche eines Silizium-Wafers erzeugt – beispielsweise aus Titancarbid. Anschließend wird der Dünnfilm chloriert, um das Titan zu entfernen. Übrig bleibt ein poröser Kohlenstofffilm. Überall dort, wo ein Titanatom war, bleibt eine kleine Pore übrig.

"Dieser Dünnfilm ist wie ein molekularer Schwamm, bei dem jede Pore so groß wie ein einzelnes Ion ist", sagt Gogotsi. Diese Paarung lässt das Material in einem Superkondensator eine enorm große Oberflächenladung aufnehmen. Dazu werden noch Metallelektroden an die Oberflächen angebracht, um Strom zu- und abzuleiten. Zum Schluss kommt noch ein flüssiger Elektrolyt hinzu, fertig ist der Superkondensator. Im Versuch ergab sich, dass das so entstandene Bauelement bei einer Dicke des Kohlenstoffmaterials von 50 Mikrometern am effizientesten arbeitet – das entspricht der Breite eines menschlichen Haars.

Konventionelle Superkondensatoren werden aus pulverisiertem Kohlenstoff hergestellt. Dieses Material lässt sich aber nicht zu einem Dünnfilm großer Länge verarbeiten, weil es schlicht nicht ausreichend an der Oberfläche haftet. Andere Forschergruppen arbeiten deshalb an Dünnfilm-Superkondensatoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen – Gogotsi sagt, dass seine Technik eine höhere Energiekapazität bietet.

Außerdem soll es zumindest theoretisch kein Limit geben, was die Größe der so produzierten Dünnfilme anbetrifft. Solarpanels oder Bildschirme mit einer Oberfläche von neun Quadratmetern sind laut dem Drexel-Team möglich. Der nächste Schritt sind flexible elektronische Bauelemente, wofür sich der Superkondensator-Dünnfilm ebenfalls eignet. (bsc)