Der Angriff des Ultra

1995 eine kleine Flotte innovative Elektrobusse begannen auf 15-Minuten-Strecken durch einen Park am nördlichen Ende von Moskau zu fahren. Ein Jahrzehnt später haben sich ein paar Dutzend Seehafenkräne in Asien, ein paar Stadtbahnzüge in Europa und ein Bataillon Müllwagen in den Vereinigten Staaten ihren High-Tech-Reihen angeschlossen.

Ein paar vereinzelte Nahverkehrsfahrzeuge und Industriemaschinen mögen wie eine kleine Revolution erscheinen, aber sie sind revolutionär. Im Gegensatz zu den meisten ihrer elektrischen Verwandten haben diese Fahrzeuge alle ein wesentliches Merkmal gemeinsam: Sie werden nicht mit Batterien betrieben. Stattdessen werden sie von Ultrakondensatoren angetrieben, bei denen es sich um aufgemotzte Versionen des bewährten Arbeitstiers der Elektrotechnik, des Kondensators, handelt.

Eine Reihe von Ultrakondensatoren setzt einen Energiestoß frei, um einem Kran dabei zu helfen, seine Last in die Höhe zu heben. Anschließend fangen sie die beim Abstieg freigesetzte Energie ein, um sie wieder aufzuladen. Busse, Straßenbahnen und Müllwagen, die von den Geräten angetrieben werden, fahren alle kurze Strecken, bevor sie anhalten, und beim Bremsen können sich die Ultrakondensatoren teilweise aus der normalerweise verschwendeten Energie wieder aufladen, wodurch die Fahrzeuge viel von dem Saft erhalten, den sie brauchen, um zu ihrem Ziel zu gelangen nächste Ziele.

Da keine chemische Reaktion stattfindet, sind Ultrakondensatoren – auch Superkondensatoren und Doppelschichtkondensatoren genannt – bei der schnellen, regenerativen Energiespeicherung viel effektiver als chemische Batterien. Darüber hinaus entladen sich wiederaufladbare Batterien in der Regel innerhalb weniger tausend Lade-Entlade-Zyklen. In einem Jahr kann ein Stadtbahnfahrzeug bis zu 300.000 Ladezyklen durchlaufen, was weit mehr ist, als eine Batterie bewältigen kann. (Obwohl Schwungrad-Energiespeichersysteme verwendet werden können, um dieses Problem zu umgehen, ist zur Übertragung der Energie ein schweres und kompliziertes Übertragungssystem erforderlich.)

Die Synergie zwischen Batterien und Kondensatoren – zwei der robustesten und ältesten Komponenten der Elektrotechnik – hat zugenommen, und zwar so weit, dass Ultrakondensatoren für tragbare Elektrizität bald fast genauso unverzichtbar sein könnten wie Batterien heute.

Ultrakondensatoren gibt es bereits überall. Millionen von ihnen versorgen den Speicher von Mikrocomputern und Mobiltelefonen mit Notstrom. Darüber hinaus versorgen sie zahlreiche Verbraucherprodukte mit Batterien mit kurzen Energiestößen. In einer Kamera beispielsweise kann ein Ultrakondensator die Batterielebensdauer verlängern, indem er für energieintensive Funktionen wie das Heranzoomen für eine Nahaufnahme sorgt.

Am aufregendsten ist vielleicht, was Ultrakondensatoren für Elektroautos leisten könnten. Sie werden als Ersatz für die Batterien in Hybridautos untersucht. In gewöhnlichen Autos könnten sie dazu beitragen, die Belastung der Batterie auszugleichen, indem sie die Beschleunigung beschleunigen und beim Bremsen Energie zurückgewinnen. Am tödlichsten für die Lebensdauer einer Batterie sind die Momente, in denen sie starken Stromimpulsen ausgesetzt ist und zu schnell geladen oder entladen wird. Praktischerweise ist die Bereitstellung oder Aufnahme von Strom bei kurzzeitigen Ereignissen die stärkste Stärke des Ultrakondensators. Und weil Kondensatoren bei Temperaturen bis zu –40 °C gut funktionieren, können sie Elektroautos bei kaltem Wetter, wenn die Batterien am schlechtesten sind, einen Schub verleihen.

Im Handel erhältliche Ultrakondensatoren erfüllen diese Anforderungen bereits in gewissem Umfang und können ein Vielfaches der Leistung von Batterien gleichen Gewichts oder gleicher Größe liefern. Aber was die Energiemenge angeht, die sie speichern können, hinken Ultrakondensatoren weit hinterher. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Batterien Energie in der Masse ihres Materials speichern, während alle Arten von Kondensatoren Energie nur auf der Oberfläche eines Materials speichern. Wie eine Batterie ist ein Ultrakondensator mit einer Ionenlösung – einem Elektrolyten – gefüllt, und seine Stromkollektoren werden an den Elektroden befestigt und leiten Strom zu und von ihnen. Die Kollektoren sind mit einem dünnen Film aus Aktivkohle beschichtet, der eine um Größenordnungen größere Oberfläche als herkömmliche Kondensatoren aufweist. Die Größe der Oberfläche in Ultrakondensatordesigns wurde bisher durch die Beschränkungen der Porosität der Aktivkohle eingeschränkt.

Die Innovation, die meine Kollegen John Kassakian und Riccardo Signorelli und ich am MIT verfolgt haben, besteht darin, die Aktivkohle durch einen dichten, mikroskopisch kleinen Wald aus Kohlenstoffnanoröhren zu ersetzen, der direkt auf der Oberfläche des Stromkollektors wächst. Wir glauben – und unsere bisherige Arbeit bestätigt unsere Theorie –, dass wir auf diese Weise ein Gerät schaffen können, das bis zu 50 Prozent so viel elektrische Energie speichern kann wie eine Batterie vergleichbarer Größe. Dieses Kunststück würde es Ultrakondensatoren ermöglichen, Batterien in einer Reihe gängiger Anwendungen zu ersetzen.

Es ist fast eine technische Ketzerei um darauf hinzuweisen, dass ein Kondensator ein Auto antreiben könnte. Tatsächlich speichert der gemeinsame Kondensator eine mickrige Energiemenge. Bei gleicher Spannung kann eine chemische Batterie mindestens eine Million Mal so viel Energie speichern wie ein herkömmlicher Kondensator gleicher Größe. Stecken Sie zwei gewöhnliche Kondensatoren in der Größe einer D-Zellen-Batterie in Ihre Taschenlampe, die jeweils auf 1,5 Volt aufgeladen sind, und die Glühbirne geht in weniger als einer Sekunde aus, wenn sie überhaupt leuchtet. Ein Ultrakondensator gleicher Größe hat jedoch eine Kapazität von etwa 350 Farad und könnte die Glühbirne etwa 2 Minuten lang zum Leuchten bringen.

Bevor ich mich mit unseren Methoden befasse, sollte ich die Grundlagen von Kondensatoren und Ultrakondensatoren erläutern. Kondensatoren gibt es seit 1745 und sie sind den Batterien um ein halbes Jahrhundert voraus. Ultrakondensatoren sind viel neuer, aber auch nicht gerade neu. Ingenieure von Standard Oil patentierten 1966 die Ultrakondensator-Technologie, ein unerwartetes Produkt ihrer Brennstoffzellenforschung. Standard Oil lizenzierte die Technologie an die NEC Corp. aus Tokio, die die Ergebnisse 1978 als „Superkondensatoren“ vermarktete, um Notstrom für die Aufrechterhaltung des Computerspeichers bereitzustellen.

Ein Kondensator besteht aus zwei Elektroden oder Platten, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Wenn an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, baut sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld auf. Die Energie eines Kondensators wird in einem solchen elektrischen Feld gespeichert, ohne dass irgendeine chemische Reaktion erforderlich ist. Somit hat ein Kondensator eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer. Es ist auch schnell. Abhängig von seiner physikalischen Struktur liegen typische Lade- und Entladezeiten in der Größenordnung einer Mikrosekunde; manchmal sind sie nur eine Pikosekunde schnell.

Drei Hauptfaktoren bestimmen, wie viel elektrische Energie ein Kondensator speichern kann: die Oberfläche der Elektroden, ihr Abstand voneinander und die Dielektrizitätskonstante des Materials, das sie trennt. Herkömmliche Kondensatordesigns können Sie jedoch nur bis zu einem gewissen Grad vorantreiben. Die Ingenieure von Standard Oil haben einen Kondensator entwickelt, der anders funktioniert. Sie überzogen zwei Aluminiumelektroden mit einer 100 Mikrometer dicken Kohlenstoffschicht. Der Kohlenstoff wurde zunächst chemisch geätzt, um viele Löcher zu erzeugen, die sich wie bei einem Schwamm durch das Material erstreckten, sodass die innere Oberfläche etwa 100.000 Mal so groß war wie die äußere. (Dieser Prozess soll den Kohlenstoff „aktivieren“.)

Sie füllten den Innenraum mit einem Elektrolyten und verwendeten einen porösen, papierähnlichen Isolator, um einen Kurzschluss der Elektroden zu verhindern. Beim Anlegen einer Spannung werden die Ionen von der entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen und haften dort elektrostatisch an den Poren des Kohlenstoffs. Bei den in Ultrakondensatoren verwendeten niedrigen Spannungen ist Kohlenstoff inert und reagiert nicht chemisch mit den daran gebundenen Ionen. Die Ionen werden auch nicht oxidiert oder reduziert, wie dies bei den höheren Spannungen in einer Elektrolysezelle der Fall ist.

Dieser Ansatz ermöglichte es den Ingenieuren von Standard Oil, ein Multifarad-Gerät zu bauen. Zu dieser Zeit hatten selbst große Kondensatoren nicht annähernd eine Kapazität von Farad. Heute können Ultrakondensatoren 5 Prozent so viel Energie speichern wie eine moderne Lithium-Ionen-Batterie. Ultrakondensatoren mit einer Kapazität von bis zu 5000 Farad messen etwa 5 Zentimeter mal 5 Zentimeter mal 15 Zentimeter, was im Verhältnis zu ihrem Volumen eine erstaunlich hohe Kapazität darstellt. Der D-Zellen-Akku ist zudem deutlich schwerer als der gleich große Kondensator, der etwa 60 Gramm wiegt.

Hunderttausende Jedes Jahr werden ca. 100.000 Ultrakondensatoren für Anwendungen hergestellt, die schnelles Aufladen, hohe Leistungsabgabe und wiederholte Zyklen erfordern. Im Jahr 2005 lag der Markt für Ultrakondensatoren je nach Quelle zwischen 272 und 400 Millionen US-Dollar und wächst, insbesondere im Automobilsektor. Obwohl Ultrakondensatoren im Allgemeinen ein Nischenanbieter geblieben sind, könnte sich die Situation bald ändern.

Mein Labor am MIT – das Labor für elektromagnetische und elektronische Systeme – arbeitet mit mehreren Automobilherstellern zusammen, um Möglichkeiten zur Verbesserung der Fahrzeugleistung zu untersuchen. Vor etwa vier Jahren habe ich an einem Projekt zur Evaluierung kommerzieller Ultrakondensatoren für den Einsatz in Autos mitgewirkt. Während eines Fluges von Boston nach Detroit las ich einen Artikel, in dem eine Möglichkeit beschrieben wurde, vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf einer flachen Oberfläche wachsen zu lassen. Das ist ein wirklich erstaunlicher Prozess. Eine Siliziumoxidschicht ist mit einer nanometerdicken Schicht eines Eisenkatalysators bedeckt. Die Folie wird in ein Vakuum gebracht, auf 650 °C erhitzt und einem dünnen Kohlenwasserstoffgas, vielleicht Ethanol oder Acetylen, ausgesetzt. Durch die Hitze bildet das Eisen winzige Tröpfchen, die dem Gas Kohlenstoffmoleküle entziehen. Die Kohlenstoffmoleküle beginnen dann, sich selbst zu Röhren anzuordnen, die von jedem der Tröpfchen nach oben wachsen.

Aufgrund ihrer Abmessungen fiel mir auf, dass diese Nanoröhren eine noch höhere Porosität versprachen als die in kommerziellen Ultrakondensatoren verwendete Aktivkohle. Zusammen haben die Nanoröhren eine enorme Oberfläche und ihre Abmessungen sind gleichmäßiger als die der Aktivkohleporen, sodass sie eher einem Pinsel als einem Schwamm ähneln.

Es gibt zwei wesentliche Einschränkungen hinsichtlich der Leitfähigkeit von Aktivkohle: Die hohe Porosität bedeutet, dass nicht viel Kohlenstoffmaterial vorhanden ist, um den Strom zu transportieren, und das Material muss mit einem Bindemittel an den Aluminium-Stromkollektor „geklebt“ werden, was eine etwas hohe Leitfähigkeit aufweist Widerstand. Wenn meine Kollegen und ich die Aktivkohle durch Milliarden von Nanoröhren ersetzen würden, hätten wir vorausgesagt, dass wir einen Ultrakondensator herstellen könnten, der mindestens 25 Prozent – ​​vielleicht sogar 50 Prozent – ​​der Energie einer chemischen Batterie mit gleichem Gewicht speichern könnte. (Um diese große Verbesserung zu erreichen, müssten wir auch eine Reihe anderer Änderungen vornehmen, wie zum Beispiel die Erhöhung der Anzahl der Ionen im Elektrolyten, um den neu gewonnenen Speicherplatz widerzuspiegeln.)

Ein weiterer Vorteil von Nanoröhren gegenüber Aktivkohle besteht darin, dass sie aufgrund ihrer Struktur chemisch weniger reaktiv sind und daher bei einer höheren Spannung betrieben werden können. Und bestimmte Arten von Nanoröhren können je nach Geometrie hervorragende Leiter sein – was bedeutet, dass sie mehr Strom liefern können als mit Aktivkohle ausgestattete Ultrakondensatoren [siehe Abbildung „Anhäufung der Farads“].

Noch besser: Dieser mit Nanoröhren verbesserte Ultrakondensator würde alle Vorteile behalten, die gewöhnliche Ultrakondensatoren gegenüber Batterien haben: Sie würden Energie in schnellen Stößen liefern, würden bei kaltem Wetter gut funktionieren und hätten eine viel längere Lebensdauer. Wenn dieser Ultrakondensator entwickelt werden könnte, wäre das revolutionär.

Es war von Anfang an klar, dass viel Know-how erforderlich sein würde, um einen Ultrakondensator nach unserem Entwurf herzustellen – Kenntnisse in der chemischen Gasphasenabscheidung, Elektronenmikroskopie, Materialwissenschaft und Quantenchemie. Und es ist eine Herausforderung, Menschen mit all diesen Fähigkeiten zusammenzubringen. Eine der Stärken einer Forschungsuniversität ist ihre unglaubliche Vielfalt an Fachwissen und Ausstattung sowie die Bereitschaft der Fakultät zur Zusammenarbeit. Niemand in meinem Labor hatte Erfahrung mit der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren, aber ein Großteil der frühen Forschung auf diesem Gebiet am MIT wurde im Gebäude nebenan durchgeführt, in einem Labor unter der Leitung von Mildred Dresselhaus. Mit diesen Einrichtungen und der Unterstützung von Dresselhaus und ihren Laborkollegen gelang es uns, in nur wenigen Monaten einen Nanoröhrenwald auf einem kleinen Stück Siliziumdioxid zu synthetisieren.

Nanoröhren können unterschiedlich groß sein, und die Nanoröhren, die wir züchten, haben einen Durchmesser von etwa 5 nm oder etwa 1/10.000stel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Jede Röhre ist etwa 100 µm lang und kann einen Abstand von nur 5 nm haben [siehe Bild „Electric Shag“ unten].

Aber der Kieselsäuresplitter war nur der Anfang. Silizium ist ein Isolator und wir brauchten ein leitendes Material. Nach mehr als einem Jahr voller Fehlstarts haben wir schließlich einen maßgeschneiderten Reaktor für die chemische Gasphasenabscheidung entworfen und gebaut und ihn zum Züchten von Nanoröhren auf einem leitenden Substrat verwendet. Wir verpacken diese Sammlung von Nanoröhren jetzt in einem Prototyp eines Ultrakondensators.

Wir glauben, dass wir innerhalb weniger Monate Ergebnisse vorweisen können, die heutige Designs bei weitem übertreffen. Bis dahin steht uns noch eine große Herausforderung bevor: Wir müssen sehen, ob unsere Geräte zu Preisen hergestellt werden können, die sie für Mainstream-Anwendungen attraktiv machen. Wir sind jedoch optimistisch, da die chemische Gasphasenabscheidung in der Halbleiterfertigung bereits in großem Umfang eingesetzt wird und die Rohstoffe, die wir benötigen, billig sind.

Es ist kein direkter Weg von hochdichten Ultrakondensatoren zu praktischen Elektroautos, aber was meine Kollegen und ich getan haben, könnte ein großer Schritt auf dem mühsamen Weg sein, solche Fahrzeuge für Verbraucher komfortabler und attraktiver zu machen. Auch wenn es viele Jahre dauert, bis Ultrakondensatoren allein entweder vollbatteriebetriebene Elektro- oder Hybridautos antreiben können, sind wir bereits an einem Punkt angelangt, an dem solche Geräte problemlos Lithium-Ionen-Batterien unterstützen könnten [siehe Abbildung „Wie man ein Auto ultrakondensatorisiert“ ]. Wenn der Elektromotor des Autos kurzzeitig hohen Strom benötigt, liefert ihn der Ultrakondensator. Sobald die Nachfrage nachlässt, wird der Ultrakondensator über die Batterie wieder aufgeladen. Wenn der Motor, der jetzt als Generator arbeitet, für kurze Zeit einen hohen Strom liefert – was normalerweise beim regenerativen Bremsen der Fall ist – passiert dasselbe umgekehrt. Ein Computer würde die Spannungen, den Ladezustand, die Last und den Bedarf überwachen und dann den Stromfluss mithilfe zusätzlicher Gleichstrom-Leistungselektronik entsprechend anpassen. Das zusätzliche Gewicht und die damit verbundenen Kosten spielen möglicherweise keine Rolle, wenn dadurch die Fahrzeugleistung verbessert und die Batterielebensdauer verlängert wird.

Kleinzellige Ultrakondensatoren können in Autos auch für andere Zwecke als im Antriebsstrang eingesetzt werden. Sie können in Klimaanlagen, elektrische Servolenkungen, elektrische Schlösser und Fenstersysteme integriert werden – Komponenten, die hohe Spitzenströme erfordern, die typischerweise Kabel mit großem Durchmesser erfordern. Da der Bedarf sporadisch ist und die durchschnittliche Leistung niedrig ist, könnten Ultrakondensatoren, die den hohen Strom an strategischen Punkten bereitstellen, die Installation dünnerer Kabel ermöglichen. Angesichts des hohen Kupferpreises heutzutage können solche Änderungen die Kosten eines Fahrzeugs erheblich senken.

Sicherheit ist eine weitere Motivation. Angenommen, ein Auto verfügt über elektrisch betätigte Bremsen oder Türschlösser und der Kabelbaum fällt aufgrund eines Defekts oder eines Unfalls aus. Ein lokaler Ultrakondensator kann dennoch einige wertvolle Sekunden oder Minuten lang Strom liefern.

Solche Geräte sind keineswegs auf Fahrzeuge beschränkt. Die Gesellschaft befindet sich mitten in einer Energiekrise und viele grüne Energiequellen würden von der regenerativen Energiespeicherung profitieren. Stromnetze könnten um 10 Prozent effizienter sein, wenn es einfache und kostengünstige Möglichkeiten gäbe, Energie lokal am Verbrauchsort zu speichern. Und wenn erneuerbare Energien jemals fossile Brennstoffe ersetzen sollen, müssen Ingenieure bessere Möglichkeiten finden, Windenergie zu speichern, wenn der Wind nicht weht, und Solarenergie, wenn die Sonne nicht scheint.

Natürlich sind meine Kollegen und ich nicht die einzigen, die an der Ultrakondensator-Technologie forschen. Alle bestehenden Hersteller von Ultrakondensatoren – darunter Maxwell Technologies, NessCap, Panasonic, Nippon Chemi-Con und Power Systems Co. – arbeiten an verbesserten Aktivkohlen oder Geräten, bei denen eine Elektrode als Batterie und die andere als Ultrakondensator fungiert. Die japanische Regierung hat 25 Millionen US-Dollar für die Nanoröhrenforschung bereitgestellt. Mit diesem Geld wurde eine vielversprechende gemeinsame Anstrengung von Nippon Chemi-Con und AIST National Lab zur Erforschung nanoröhrenbasierter Techniken unterstützt. Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, NY, haben kürzlich in den Proceedings der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten von Amerika ein aufregendes kombiniertes Batterie-Nanoröhren-Ultrakondensator-Gewebe zur Speicherung elektrischer Energie angekündigt.

Und Nanoröhrenwälder sind nicht die einzige Möglichkeit, für eine erhöhte Porosität zu sorgen. Power Systems in Japan hat beispielsweise gute Ergebnisse mit einer Art Graphenstruktur erzielt, die das Unternehmen als „Nanogat“ bezeichnet.

Es gibt einen etwas anderen Ansatz für modifizierte Kondensatoren, der in letzter Zeit für viel Aufsehen gesorgt hat und von einem Start-up namens EEStor in Cedar Park, Texas, entwickelt wurde. EEStor hat sich auf die Verbesserung des Dielektrikums und nicht auf die Platten des Kondensators konzentriert. Sein Design verwendet Bariumtitanat, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Stoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante ermöglichen hochwertige Kondensatoren, die dennoch klein sind. Der Nachteil besteht darin, dass solche Materialien im Allgemeinen nicht in der Lage sind, elektrostatischen Feldern derselben Intensität standzuhalten wie Substanzen mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie Luft. EEStor behauptet, dass die Kondensatoren bei extrem hohen Spannungen in der Größenordnung von mehreren tausend Volt betrieben werden können, was zu sehr hohen Speicherkapazitäten führt. Eine Sorge besteht darin, dass hohe Spannungen dazu führen können, dass ein Dielektrikum bereits bei geringfügigen Mängeln im Material irreversibel zusammenbricht. Nur die Zeit wird zeigen, wie sich das Design schlägt.

Eine wesentliche Verbesserung der Möglichkeiten zur Speicherung elektrischer Energie wäre eine willkommene Entwicklung, und die kapazitive Speicherung mit hoher Dichte ist ein vielversprechender Forschungsweg. Obwohl Batterien und Kondensatoren alte Erfindungen sind, konnte unsere spezielle Technik bis vor kurzem nicht weiterverfolgt werden. So wie Halbleiterdesigner immer kleinere Transistoren entwickelt haben, haben auch Ingenieure in anderen Bereichen gelernt, Objekte mit immer kleineren Abmessungen zu manipulieren. Die Fähigkeit, Materialien auf atomarer Ebene zu formen, ist neu und entwickelt sich weiter. Ingenieure können diese neuen Techniken nutzen, um neuartige Eigenschaften zu erreichen und, im Fall der Forschung meines Labors, auf einen nanotechnisch hergestellten Kohlenstoff hinzuarbeiten, der die nächste Generation der Energiespeicherung einleiten könnte.

JOEL SCHINDALL war 35 Jahre lang in der Telekommunikations- und Satellitenindustrie tätig, bevor er an die Fakultät des MIT wechselte, wo er heute stellvertretender Direktor des Labors für elektromagnetische und elektronische Systeme ist.

Einen Überblick über Ultrakondensatoren und ihre Anwendungen sowie eine Reihe kostenloser technischer Dokumente (nach Registrierung) finden Sie unter http://www.maxwell.com/ultracapacitors/technical-support/white_papers.asp.

Das National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, untersucht seine Energiespeicherforschung unter http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/ultracapacitors.html.