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75 Prozent mehr Speicherfähigkeit Leistungssprung bei Superkondensatoren durch Graphene

Autor / Redakteur: Johann Wiesböck / Rainer Graefen

Kondensatoren auf Basis von Graphenen haben erstaunliche Fähigkeiten. Sie erreichen hohe Spannungen, große Kapazitäten, geringe Leckströme und niedrige ESR-Werte bei kleiner Bauform. Und Graphene-Kondensatoren sind selbstheilend.

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Besondere Merkmale von Graphene-Kondensatoren: hohe Spannung, große Kapazität, geringer Leckstrom, geringer ESR und Selbstheilung
Besondere Merkmale von Graphene-Kondensatoren: hohe Spannung, große Kapazität, geringer Leckstrom, geringer ESR und Selbstheilung
(Bild: Blume Elektronik)

Superkondensatoren bieten bezüglich Schnellladefähigkeit enorme Potentiale für den Einsatz als Pufferspeicher in der Elektromobilität oder für die Rückgewinnung von Energie in Industrieanlagen. Eine Erhöhung der Energiedichte ist jedoch für viele Anwendungen unabdingbar.

Graphen-basierte Elektroden für Superkondensatoren erreichen im Labor bereits eine um 75 % höhere Speicherfähigkeit, parallel dazu werden durch das Fraunhofer IPA bereits Anwendungen entwickelt, die in Zukunft Energieeinsparungen für Industrieunternehmen ermöglichen werden.

Den Einsatz von Graphen und Superkondensatoren erklärt Dr. Carsten Glanz, Gruppenleiter Applikation multifunktionaler Schichten, Fraunhofer IPA Stuttgart, in einem Vortrag auf dem „Praxisforum Passive Bauelemente“ am 19. und 20. April 2016 in Würzburg. Mehr Informationen dazu finden Sie unter Praxisforum Passive Bauelemente.

Graphene-Kondensatoren sind bereits in der Serienanwendung

Graphene-Semiconductor-Kondensatoren sind eine neue Kondensatoren-Serie die als Elektrolyt eine Mischung aus Graphene und Polymerverbindungen nutzen. Die selbstheilenden Kondensatoren besitzen eine nanokristalline Struktur. Diese Struktur dient dazu, das kleine Bauformen produziert werden können.

Diese Art von Kondensatoren sind für Anwendungen in den Bereichen Ladegeräte, Spannungsversorgung, Automobilelektronik sowie Computer Elektronik. Unter anderem sind diese Bauteile für einen Temperaturbereich bis 105°C geeignet. Erhöhte Temperaturbereiche von 125°C bis 130°C sind in der Entwicklung, langfristig werden 150°C für möglich gehalten.

Ein besonders wichtiger Aspekt für sicherheitsrelevante Anwendungen ist, dass im Fehlerfall ein normaler Kondensator zu einem Kurzschluss führt. Bei den Graphenen-Semiconductor-Kondensatoren führt dies zu einem so genannten „open mode“, das bedeutet der Durchgangswiderstand steigt ins Unendliche. Die besonderen Merkmale sind hohe Spannung, große Kapazität, geringer Leckstrom, geringer ESR bei kleiner Bauform und selbstheilend.

Zum Thema Graphene-Kondensatoren in der Serienanwendung hält Kondensatorexperte Wilhelm Haßenpflug, Geschäftsführer Blume Elektronik, einen Vortrag auf dem „Praxisforum Passive Bauelemente“ am 19. und 20. April 2016 in Würzburg. Diese Veranstaltung liefert einen Überblick über die wesentlichen Unterschiede und Vor- und Nachteile der verschiedenen Kondensatorentechnologien.

Die beiden Referenten sind Kondensatorexperten

Wilhelm Haßenpflug, Blume Elektronik: „Graphene-Kondensatoren werden bereits erfolgreich in der Serienanwendung eingesetzt.“
Wilhelm Haßenpflug, Blume Elektronik: „Graphene-Kondensatoren werden bereits erfolgreich in der Serienanwendung eingesetzt.“
(Bild: Blume Elektronik)

Als Gruppenleiter der Gruppe „Applikation multifunktionaler Schichten“ am Fraunhofer IPA in Stuttgart beschäftigt sich Dr. Carsten Glanz mit der Weiterentwicklung von Beschichtungsverfahren für neue Materialien. Dies gilt besonders für die Entwicklung und Herstellung gedruckter elektronischer Anwendungen für Energiespeicher, transparenter Elektroden sowie Heizschichten.

Hierbei werden sowohl klassische Druckverfahren wie Siebdruck, Tampondruck und Tiefdruck als auch Beschichtungsverfahren wie Rakeln, Sprühen und Tauchziehen eingesetzt. Diese eröffnen, kombiniert mit innovativen nanoskaligen Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Graphen-Nanoplatelets, Silbernanodrähten und leitfähigen Polymeren, innovative neue Anwendungsgebiete und Produkte.

Wilhelm Haßenpflug übernahm 2003 die Firma Blume Elektronik, nachdem er bereits 30 Jahre im Vertrieb gearbeitet hatte. Nach dem Studium der Nachrichtentechnik fungierte er bei verschiedenen japanischen Herstellern wie Alps und Sharp sowie bei der Firma Bosch in leitender Position. Heute ist er ein anerkannter Kondensatorexperte in Deutschland mit sehr großer Marktkenntnis.

Wissenschaftlicher Hintergrund zu Graphen

Graphen (englisch graphene) ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Da Kohlenstoff vierwertig ist, müssen dabei je „Wabe“ zwei Doppelbindungen auftreten, die jedoch nicht lokalisiert sind.

Es handelt sich um eine Verkettung von Benzolringen, wie sie in aromatischen Verbindungen oft auftritt. Obwohl ein einzelner Benzolring in der Darstellungsweise der Valenzstrichformeln drei Doppelbindungen hat, haben zusammenhängende Benzolringe in dieser Darstellungsweise rein formal nur zwei Doppelbindungen pro Ring. Deshalb lässt sich die Struktur besser beschreiben, indem man die delokalisierten Bindungen als großen Kreis im Benzolring darstellt.

Die Bindungsverhältnisse im Graphen sind in der Graphenstruktur beschrieben. Graphen lässt sich als polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff beschreiben. Am „Rande“ des Wabengitters müssen andere Atomgruppen angedockt sein, die aber – je nach dessen Größe – die Eigenschaften des Graphens kaum verändern.

Mehr Informationen zum Einsatz von Graphenen und Kondensatoren finden Sie unter www.praxisforum-passive-bauelemente.de.

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