Wasser als Elektrolyt: Hamburger Forschungsteam entwickelt neuartigen Superkondensator aus Ton und Graphen

Energiespeicher bestehen heute fast immer aus chemisch aufwendigen Elektrolyten: Salze, Säuren oder organische Lösungsmittel transportieren die elektrische Ladung. Ein Forschungsteam am Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“ der Technischen Universität Hamburg geht einen anderen Weg. Die Forscher:innen haben gezeigt, dass reines Wasser diese Aufgabe übernehmen kann, wenn man es in nanometergroßen Kanälen einschließt. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger Superkondensator, der ohne jede Chemikalie auskommt und sich als überraschend leistungsfähig erweist.

Wasser unter extremer Enge

Der Schlüssel liegt in der Geometrie. Tonmineralien kombiniert mit Graphen, einer hochleitfähigen Kohlenstoffform, bilden ein dichtes Netz aus Millionen paralleler Kanäle. Jeder dieser Kanäle ist etwa einen Nanometer breit, rund 100.000 Mal dünner als ein menschliches Haar. In solch engen Räumen zeigt Wasser physikalische Eigenschaften, die in gewöhnlichem Wasser nicht auftreten: Es lässt sich als aktiver Elektrolyt nutzen, transportiert also elektrische Ladung, obwohl keine gelösten Ionen dafür sorgen.

Das Team um Dr. Vasily Artemov nannte das Gerät „Blue Capacitor“. Um die einzelnen Wasserschichten in den Tonstrukturen sichtbar zu machen, nutzten die Forscher:innen die Röntgenquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, eine der leistungsfähigsten Röntgenquellen der Welt. „Nur mit DESY’s brillanter Röntgenquelle PETRA III konnten wir die ultradünnen Lagen einzelner Wasserfilme in den Tonstrukturen sichtbar machen“, sagte Prof. Patrick Huber, Co-Autor der Studie.

Superkondensatoren: Physik statt Chemie

Superkondensatoren unterscheiden sich grundlegend von Batterien. Statt Energie in chemischen Reaktionen zu speichern, trennen sie elektrische Ladungen physikalisch. Das macht sie sehr schnell beim Laden und Entladen und gibt ihnen eine außergewöhnlich lange Lebensdauer. Der Nachteil gegenüber Batterien: Sie speichern pro Volumen weniger Energie. Ihr Vorteil liegt in der Zuverlässigkeit und den kurzen Reaktionszeiten.

Der Blue Capacitor kombiniert dieses Prinzip mit einem ungewöhnlichen Materialmix. Wasser, Ton und Kohlenstoff zählen zu den am häufigsten vorkommenden Substanzen der Erde. Keine seltenen Elemente, keine giftigen Verbindungen. „Unser Ziel ist es, sicherere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien zu entwickeln, die auf häufig vorkommenden Rohstoffen statt auf komplexen chemischen Verbindungen basieren“, sagte Artemov.

Robuste Testergebnisse

In Labortests überstand der Blue Capacitor mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen ohne messbare Leistungseinbußen. Zudem arbeitete er bei Spannungen von bis zu 1,6 Volt stabil. Für wasserbasierte Systeme ist das ein bemerkenswerter Wert: Wasser zersetzt sich normalerweise bei deutlich niedrigeren Spannungen in Wasserstoff und Sauerstoff. Dass der Blue Capacitor diesen Bereich ohne Elektrolytzusätze überschreitet, liegt an den einzigartigen Eigenschaften von nanoeingeschlossenem Wasser.

Von Solar bis Stromnetze: mögliche Einsatzgebiete

Bis zur Marktreife sind weitere Entwicklungsschritte nötig. Die Forscher:innen sehen aber ein breites Anwendungsspektrum. Superkondensatoren dieser Art könnten Schwankungen in Solar- und Windkraftanlagen puffern, Stromnetze stabilisieren oder Geräte versorgen, die häufiges und schnelles Laden erfordern. Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse über nanoeingeschlossenes Wasser neue Felder öffnen: fortschrittliche Sensoren, bioinspirierte Systeme oder neuromorphe Rechenarchitekturen.

Die Studie erschien in Nature Communications. Für Artemov steht fest, dass selbst vertraute Substanzen auf der Nanoskala noch Überraschungen bereithalten: „Durch das Verständnis dieser Eigenschaften könnten wir in der Lage sein, völlig neue technologische Anwendungen zu entwickeln.“

via TU Hamburg