Baumharz-Durchbruch steigert die Lebensdauer von Supercapacitors

Batterien gehören zu den beliebtesten Energiespeichergeräten. Diese elektrochemischen Geräte können mehrmals aufgeladen und entladen werden, ohne beschädigt zu werden. Sie bieten zahlreiche Vorteile, wie reduzierte Energiekosten, erhöhte Energieunabhängigkeit, verbesserte Netzstabilität und Unterstützung für die Integration erneuerbarer Energien.

Aber es gibt ein anderes elektrochemisches Energiespeichergerät, das weit größere Fähigkeiten als Batterien besitzt. Dieses Gerät ist ein Supercapacitor, auch bekannt als Ultracapacitor oder elektrochemischer Kondensator.

Ein Hochleistungs-Energiespeichergerät, ein Supercapacitor, überbrückt die Lücke zwischen Batterien und herkömmlichen Kondensatoren.

Dieses Gerät zeigt eine hohe Leistungsdichte, die etwa tausend Mal höher ist als die von wiederaufladbaren Batterien. Es speichert auch mehr Ladung als ein Kondensator und lädt und entlädt schneller als Batterien.

Neben der langen zyklischen Stabilität haben Supercapacitors eine schnelle Lade- und Entladeeffizienz, die sie für Anwendungen geeignet macht, die schnelle Energieschübe benötigen. Heute werden Supercapacitors immer mehr in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Lasern, portablen Stromversorgungen, Kamera-Blitzgeräten, gepulsten Lichtgeneratoren, erneuerbaren Energiesystemen, Hybrid-Elektrofahrzeugen und industriellen Stromversorgungen.

Ein Supercapacitor besteht aus zwei Elektroden, elektronischen Leitern, die mit dem äußeren Kreis verbunden sind, die durch einen Elektrolyten, einen ionischen Leiter, und einen Separator getrennt sind, der eine Membran ist, die die Elektroden elektrisch trennt, um zu verhindern, dass sie kurzschließen, während sie bestimmte Ionen durchlassen, um einen offenen Kreis im System zu verhindern.

Aufgrund seiner hohen Leistungsdichte und Umweltfreundlichkeit, wie Recyclierbarkeit, ist der Supercapacitor eines der am weitesten verbreiteten und aktivsten Forschungssysteme für Energiespeicher.

In einem Supercapacitor wird die Kapazität hauptsächlich durch eine oberflächenkontrollierte Reaktion bestimmt. Daher ist eine stabile Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt entscheidend für die Erreichung hoher Leistung und die Gewährleistung stabiler elektrochemischer Leistung.

Interfaciale Eigenschaften sind entscheidend für die Gewährleistung hoher elektrochemischer Leistung, daher entwickeln Forscher verschiedene Methoden, um diese zu verbessern und die damit verbundenen Probleme zu überwinden.

Allerdings stoßen alle diese Versuche auf erhebliche Einschränkungen wie Skalierbarkeit, Kosten, Umweltfreundlichkeit und mehrere Schritte im Verarbeitungsprozess. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, eine nachhaltige Lösung zu finden, die diese Kriterien erfüllt und dennoch eine hohe Energie-/Leistungsdichte für Supercapacitors über einen langen Zeitraum erreichen kann.

Daher kamen Forscher aus drei verschiedenen Institutionen zusammen, um einen neuen Elektrolyt-Zusatzstoff vorzustellen, der aus einem konjugierten Biopolymer von Gummi Kondagogu oder Natrium-Alginat (KS) besteht. Dieser Baumharz ist nicht nur weit verbreitet, sondern auch recycelbar.

Die Einführung des Baumharzes schuf eine schützende Schicht auf der Oberfläche der Elektrode, die die Bildung von Nebenprodukten verhinderte, während sie den einfachen ionischen/elektronischen Transport ermöglichte. Bemerkenswerterweise führt die Verwendung dieses neuen Additiv-Konzepts im Supercapacitor-System zu verbesserter elektrochemischer Zuverlässigkeit.

Bei einer sogar kleinen KS-Konzentration, d. h. 5 mg ml-1, verbesserte sich die Kapazitätsretention um bis zu 35 % auf 93 % für 30.000 Zyklen bei einer Stromdichte von 4,0 mA cm-2. Dies ist einfach “bemerkenswert” angesichts der Verwendung von saurem H2SO4-Elektrolyten und kohlenstoffbasierten Elektroden.

Die Studie bezeichnet dies als “ersten Bericht” über eine erhebliche Verbesserung der Langzeitbetriebszeit von Supercapacitors durch die Einführung eines Biopolymer-Konjugat-Elektrolyt-Additivs. Diese Lösung hat aufgrund ihrer Einfachheit, geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit das Potenzial, kommerzialisiert zu werden.

Die Rolle des Baumharzes in Supercapacitors der nächsten Generation

Forscher von Universitäten in Schottland, Südkorea und Indien führten die Forschung durch, die in diesem Monat in Energy Storage Materials veröffentlicht wurde.

Dies umfasst die University of Glasgow, Chung-Ang University, Ajou University, Amrita University und Myongji University, die gemeinsam die konjugierte KS-Verbundstruktur für einen hochstabilen Supercapacitor mit Biokompatibilität und exzellenter elektrochemischer Zuverlässigkeit entwarfen.

Der verwendete Abfall-Baumharz wird von Bäumen in Indien produziert. Baumharze haben eine Vielzahl von Anwendungsbereichen in Branchen wie Lebensmittel, Kosmetik und Pharmazeutika. Dieser spezifische Harz hat jedoch nicht viele praktische Anwendungen.

Tatsächlich ist der verwendete Harz “ein bisschen ein Problem für die indische Regierung, um ihn zu entsorgen”, so der korrespondierende Autor der Studie, Dr. Jun Young Cheong von der University of Glasgow’s James Watt School of Engineering. Er fügte hinzu:

“Mit dieser Forschung haben wir eine Möglichkeit gefunden, etwas wirklich Bedeutungsvolles aus diesem Harz zu machen, indem wir ein biologisch abbaubares, recycelbares Biopolymer erstellen, das bemerkenswerte Leistung und eine dramatische Verlängerung der Lebensdauer von Supercapacitors ermöglichen kann.”

Die Verwendung von sauren Elektrolyten beeinträchtigt die Langzeitleistung von Supercapacitors. Durch die Verursachung unerwünschter Nebenreaktionen mit ihren Metallektroden verringern sie ihre Fähigkeit, über einen langen Zeitraum hinweg eine volle Ladung zu speichern.

Dann gibt es das Problem des Ersetzens, Recyclings und Entsorgens von Supercapacitors am Ende ihrer Lebensdauer. Dies trägt zum schnell wachsenden Problem von Elektroschrott bei, das erhebliche Umwelt- und Gesundheitsgefahren darstellt.

Daher verwendeten die Forscher den Gummi Kondagogu, ein Polysaccharid (komplexes Biomolekül), das von der Rinde des Cochlospermum Gossypium- oder Kondagogu-Baumes produziert wird. Die Forscher kombinierten es mit Natrium-Alginat, um ein schwammartiges Biopolymer namens “KS” herzustellen.

Die Hinzufügung dieses Biopolymer zum sauren Elektrolyten bildete eine schützende Schicht auf der Oberfläche der Elektrode, die die physische Degradation der Elektrode verhinderte. Dieser Schutz wurde ohne Beeinträchtigung des Ionentransports bereitgestellt, der es dem Supercapacitor ermöglicht, zu laden und zu entladen.

Der verbesserte Elektrolyt verbesserte die Leistung des Supercapacitors erheblich.

“Im Labor haben wir eine hervorragende Leistung über 30.000 Zyklen gezeigt. Wenn wir einen Zyklus pro Tag durchführen, könnte der Supercapacitor theoretisch mehr als 80 Jahre ohne wesentliche Leistungsverluste halten, was bedeuten könnte, dass Supercapacitors in Geräten viel länger ohne Ersetzung verwendet werden könnten.”

– Dr. Cheong

Die Forschung basiert tatsächlich auf Dr. Cheongs laufender Forschung zur Verwendung von Bioabfällen in Batterien. Seine Forschung hat auch die Wirksamkeit von Gummi-Bindemitteln gezeigt, die in Wasser löslich sind, in Graphit-Anoden in Li-Ionen-Batterien.

Die “wasserlöslichen Bioabfall-Gummi-Bindemittel für natürlichen Graphit-Anoden in Li-Ionen-Batterien”-Forschung wurde im letzten Sommer veröffentlicht und beschrieb die Herstellung von natürlichen Graphit-Anoden mit PVdF- und wasserlöslichen Bioabfall-Bindemitteln (W-SB) aus dem Gummi des Cochlospermum gossypium-Baumes.

Die Studie beschrieb die Herstellung von natürlichen Graphit-Anoden mit PVdF- und W-SB-Bindemitteln, die jeweils 10 Gew.-% Bindemittel enthielten.

Die NG-W-SB-Elektrode zeigte gute mechanische Eigenschaften und behielt ihre Strukturintegrität nach dem Zyklen, was einen niedrigen Ladungstransferwiderstand auf der Elektrode förderte. Sie zeigte auch hohe Stromspitzen im ersten Zyklus, was eine verbesserte elektrochemische Leistung anzeigte, im Gegensatz zu den leicht niedrigen Spitzen der NG-PVdF-Elektrode, die bereits nach 200 Zyklen eine Kapazitätsverschlechterung erlebte. NG-W-SB hatte eine höhere stabile Kapazitätsretention, die bis zu 360 Zyklen reichte.

“Im Allgemeinen zeigten W-SB-Bindemittel hoch verbesserte Zyklus-Retentions-Eigenschaften, vergleichbare Ratenfähigkeiten und niedrigeren Elektrodenwiderstand, was einen neuen Weg für die Verwendung von Bioabfällen (Gummi) als funktionales wasserlösliches Bindemittel für LIB-Anwendungen eröffnete”, so die Studie.

Eine weitere Forschung von Dr. Cheong³ umfasst “Organisches Material-abgeleitetes aktiviertes Kohlenstoff für umweltfreundliches Maulbeer-Papier-Supercapacitor”, bei dem aktiviertes Kohlenstoff (AC) aus Orangenschalen (OP), einem häufigen Abfall, hergestellt und auf Maulbeer-Papier (MP) aufgetragen wurde, das Hydrophilie, hohen Holocellulose-Gehalt und starke Bindung mit aktiven Materialien aufweist. Eine weitere Beschichtung von Poly(3,4-ethylenedioxythiophen)-Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) wurde verwendet, um einen dualbeschichteten MP für den Supercapacitor herzustellen.

Andere Entwicklungen im Bereich der Supercapacitors

Angesichts der Bedeutung von Supercapacitors in verschiedenen Anwendungen untersuchen Forscher auf der ganzen Welt aktiv Wege, um ihre Leistung zu verbessern.

Plasmabehandlung zur Verbesserung der Kapazität

Erst vor kurzem enthüllten Wissenschaftler am Skolkowo-Institut für Wissenschaft und Technologie (Skoltech) in Russland eine Plasmabehandlung, die die Kapazität von Supercapacitors verdoppeln kann.

Das Team, so der Hauptuntersucher der Studie, Assistant Professor Stanislav Evlashin, sucht nach Wegen, um die Leistung von Supercapacitors zu verbessern, “indem es mit dem kohlenstoffbasierten Material herumexperimentiert, das in ihren Elektroden verwendet wird”.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Menge an Energie, die ein Supercapacitor speichert, zu erhöhen, erklärte Evlashin:

“Entweder man verbessert die effektive Oberfläche der Elektroden durch eine komplexe Oberflächenkonstruktion oder man führt fremde Atome in das kohlenstoffbasierte Material der Elektroden ein.”

Ihre Studie konzentrierte sich auf die Wirkung der Einführung fremder Atome in das kohlenstoffbasierte Material von Supercapacitor-Elektroden durch Plasmabehandlung.

Das Team testete die Wirkung von Plasma mit sechs verschiedenen chemischen Zusammensetzungen auf die Kapazität von Kohlenstoff-Nanowänden, aber nur das Plasma aus einer Stickstoff- und Argon-Mischung zeigte eine wesentliche Verbesserung.

“Wir fanden heraus, dass zunächst das amorphe Kohlenstoff, das nach dem Wachstum von Kohlenstoff-Nanowänden übrig bleibt, entfernt wird. Dies wird gefolgt von der Bildung neuer Defekte und der Einbringung von Heteroatomen in die kohlenstoffbasierte Struktur. Amorphes Kohlenstoff sowie die Heteroatome von Stickstoff tragen zur Entstehung von Pseudokapazität bei.”

– Evlashin

Leistungsverbesserung durch Elektroden- und Material-Engineering

In dieser Woche entwickelten Forscher von der University of California die Elektro-Kristallisations-Orientierung und die Oberflächen-Aktivierung bei weiten Temperatur-ZHSCs oder Zink-Ionen-Supercapacitors.

Wie die Studie feststellte, ist es notwendig, die Kapazität der Anode und der Kathode abzustimmen, um die elektrochemische Zelle zu maximieren. Daher präsentierten sie zwei Ansätze, um die Ausnutzung der Elektroden in ZHSCs zu nivelieren.

Dies umfasst die Minimierung der Dendriten-Bildung, die die Zykluslebensdauer erhöht, durch Modifizierung des Anoden-Stromsammlers mit Kupfer-Nanopartikeln. Der andere Ansatz war die Erhöhung der Kapazität der aktiven Kohlenstoff-Kathode durch eine Elektrolyt-Reaktion.

Die Vollzelle behielt 84 % ihrer Kapazität auch nach 50.000 vollständigen Lade- und Entladezyklen bei 2 V. Ihre kumulative Kapazität betrug 19,8 Ah cm-2, was ZHSCs übertrifft und dieses Gerätedesign “vielversprechend für Anwendungen mit hoher Ausdauer” macht, einschließlich unterbrechungsfreier Stromversorgungen und Energie-Erfassungssysteme, die häufiges Zyklen erfordern.

Eine Studie vom letzten Monat empfahl die Modifizierung der anionischen Struktur von Lithium-Kobalt-Oxid, um die Energiedichte und die Ladungsspeicherfähigkeit von Supercapacitors zu verbessern.

Dazu wurde Lithium-Kobalt-Oxid modifiziert zu LiCoO1,6(F0,8Cl0,2)0,4, das beeindruckende Leistungseigenschaften aufwies, einschließlich einer Kapazität von 512 F g-1 und einer Coulomb-Effizienz von über 92 % nach 4000 Zyklen bei einer Stromdichte von 2 A g-1. Die elektrochemische Stabilität des modifizierten Materials bei erhöhten Stromraten sowie der niedrige äquivalente Serienwiderstand, so die Studie, “positioniert es als bedeutenden Kandidaten für zukünftige Fortschritte in der Supercapacitor-Technologie”.

Kunststoff-Supercapacitors für mehr Energiespeicherung

Forscher verwenden sogar Kunststoff, um Supercapacitors zu verbessern. Chemiker der UCLA entwickelten texturierte, fellartige PEDOT-Nanofasern, die eine größere Oberfläche für die Ladungsspeicherung und eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

PEDOT oder Poly(3,4-ethylenedioxythiophen) ist ein transparentes und flexibles Film, das auf die Oberflächen von elektronischen Komponenten und fotografischen Filmen aufgetragen wird, um sie vor statischer Elektrizität zu schützen. Sein Potenzial für Energiespeicherung ist jedoch begrenzt, da PEDOT-Materialien nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit und Oberfläche für die Speicherung großer Mengen an Energie aufweisen.

Durch eine innovative Methode kontrollierten die Chemiker jedoch die Morphologie von PEDOT, um Nanofasern genau zu wachsen. Der Dampf-Phasen-Wachstumsprozess erzeugte vertikale PEDOT-Nanofasern, die wie dichtes Gras nach oben wuchsen.

“Das Material hat eine einzigartige vertikale Wachstumsform, die es uns ermöglicht, PEDOT-Elektroden zu erstellen, die viel mehr Energie speichern als herkömmliches PEDOT.”

– Der korrespondierende Autor, UCLA-Materialwissenschaftler Maher El-Kady

Das Team erstellte dann einen Supercapacitor mit PEDOT-Strukturen, der fast zehn Mal mehr Ladung speicherte als herkömmliches PEDOT und fast 100.000 Ladezyklen überstand.

Laut dem korrespondierenden Autor, Richard Kaner, der Professor für Chemie und Materialwissenschaften ist:

“Die außergewöhnliche Leistung und Haltbarkeit unserer Elektroden zeigen ein großes Potenzial für die Verwendung von Graphen-PEDOT in Supercapacitors, die dazu beitragen können, unsere Energiebedürfnisse zu decken.”

Hier erfahren Sie mehr über selbstaufladende Supercapacitors.

Hinzufügen von Supercapacitors zu Batterien, um die Ladezeit zu verbessern

Inmitten all dieser Forschung hat der deutsche Automobilhersteller BMW sogar ein Patent für einen Supercapacitor eingereicht, der Hybrid-Rennwagen innerhalb von einer Minute aufladen kann.

Das Unternehmen erforscht das Potenzial, einen motorsport-spezifischen Supercapacitor zu Batterien hinzuzufügen, um die Ladezeit erheblich zu reduzieren. Laut dem Antrag wird die Kombination eines Hybrid-Supercars mit einer Kapazität von über 20 kWh mit einem bestehenden batteriebasierten System dazu beitragen, einige der Hauptnachteile beider Systeme zu überwinden.

BMW schätzt, dass “für einen Kunden, der das Fahrzeug auf der Rennstrecke fahren möchte, dies die Möglichkeit bietet, kontinuierlich an den physischen Grenzen zu fahren, mit kurzen Unterbrechungen”.

Der Konkurrent Volkswagen Group verwendet bereits einen Supercapacitor im Lamborghini Sian. Der Supercapacitor speichert elektrische Energie, die dann an einen Elektromotor gespeist wird. Der Sian hat einen 25-kW-Motor, der in das Getriebe eingebaut ist, um einen E-Boost für den 577-kW-6,5-Liter-V12 zu liefern oder ihn vollständig auf elektrische Energie umzustellen, während er bei langsamen Manövern unterwegs ist.

Innovative Unternehmen im Bereich der Supercapacitors

Die Größe des globalen Supercapacitor-Marktes liegt im Bereich von Milliarden von Dollar, getrieben von der steigenden Nachfrage nach nachhaltigen und energieeffizienten Energiespeicherlösungen. Daher arbeiten viele Unternehmen, wie Panasonic Corporation und Skeleton Technologies, an der Verbesserung der Technologie.

Ein prominentes Unternehmen in diesem Bereich ist AVX Corporation, das 2020 von dem japanischen Elektronikhersteller Kyocera Corporation übernommen wurde. Kyoceras Aktien werden derzeit im OTC-Markt (KYOCF:OTCPK) gehandelt und weisen einen Wert von 10,70 $ auf, was einem Marktwert von 15,85 Milliarden Dollar entspricht. Es zahlt eine Dividendenrendite von 3,12 %.

KEMET Corporation ist ebenfalls bekannt für die Herstellung einer breiten Palette von Supercapacitors mit Hochleistungs-Fähigkeiten, die als sekundäre Batterien in einem Gleichstromkreis verwendet werden können. Laut der offiziellen Website des Unternehmens sind diese Geräte am besten für den Einsatz in Niedervolt-Gleichstrom-Anwendungen geeignet.

Maxwell Technologies ist ein weiteres prominentes Unternehmen, das Ultracapacitors herstellt. Tesla übernahm es 2019, verkaufte es jedoch 2021 an UCAP Power. Trotz des Verkaufs von Maxwell behielt der 817,34-Milliarden-Dollar-Unternehmen für Elektrofahrzeuge und Batterien den Trockenelektroden-Herstellungsprozess, der auf der Kapazitor-Technologie basiert. TSLA-Aktien sind derzeit um über 37 % im Vergleich zum Vorjahr gesunken und werden bei 248,80 $ gehandelt.

Dann gibt es noch das australische Unternehmen CAP-XX, das dünne, prismatische Supercapacitors für den Einsatz in tragbaren Geräten, kommerziellen und industriellen Elektronikgeräten sowie Anwendungen für erneuerbare Energien herstellt. Es ist an der London Stock Exchange AIM-Markt notiert.

Die Supercapacitors von CAP-XX zeichnen sich durch hohe Energiedichte, hohe Zellspannung und extrem niedrigen Leckstrom aus. Mit Hilfe ihrer Supercapacitors können Hersteller die Batteriegröße, -gewicht und -kosten sowie die Anzahl und Kosten der beteiligten Komponenten und ihren Umweltimpact reduzieren.

Schlussfolgerung

Während Batterien im Mittelpunkt stehen, gewinnen Supercapacitors an Bedeutung, da sie zu einem der wichtigsten Komponenten im globalen Energiesystem werden. Schließlich können sie hohe Effizienz, lange Zykluslebensdauer und sofortige Leistungsabgabe bieten.

Derzeit sind Supercapacitors komplementär im Energiespeichersektor für Anwendungen wie Consumer-Elektronik, Glättung erneuerbarer Energien, Hybrid-Elektrofahrzeuge und Notstromversorgung, die schnelle Lade- und Entladezyklen sowie lange Betriebslebensdauer erfordern.

Die breitere Einführung von Supercapacitors wird jedoch durch Kosten-, Material- und Umweltbedenken eingeschränkt. Ansätze wie tree-gum-basierte Biopolymere gehen jedoch diese Herausforderungen an, was auf eine vielversprechende Zukunft für Supercapacitors hindeutet. Die Kommerzialisierung wird jedoch Zeit benötigen, aber sobald sie voranschreitet, können Supercapacitors zum Mainstream werden und eine wichtige Rolle in nachhaltigen Energiesystemen spielen.

Hier finden Sie eine Liste der Top-10-Batterie-Aktien, in die Sie investieren können.

Studien:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). Long-lasting supercapacitor with stable electrode-electrolyte interface enabled by a biopolymer conjugate electrolyte additive. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). Water-soluble biowaste gum binders for natural graphite anode for lithium-ion batteries. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). Organic material-derived activated carbon for ecofriendly mulberry paper supercapacitor. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Engineering electro-crystallization orientation and surface activation in wide-temperature zinc ion supercapacitors. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Anion engineering in lithium cobalt oxide for application in high-performance supercapacitors. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7