Durchbruch mit Baumgummi erhöht die Lebensdauer von Superkondensatoren

Batterien gehören zu den beliebtesten Energiespeichergeräten. Diese elektrochemischen Geräte können viele Male geladen und entladen werden, ohne Schaden zu nehmen. Sie bieten zahlreiche Vorteile, wie reduzierte Energiekosten, erhöhte Energieunabhängigkeit, verbesserte Netzstabilität und Unterstützung der Integration erneuerbarer Energien. 

Aber es gibt ein weiteres elektrochemisches Energiespeichergerät, das weitaus größere Fähigkeiten als Batterien aufweist. Dieses Gerät ist ein Superkondensator, auch als Ultrakondensator oder elektrochemischer Kondensator bezeichnet.

Ein hochkapazitives Energiespeichergerät, ein Superkondensator, überbrückt die Lücke zwischen Batterien und herkömmlichen Kondensatoren. 

Dieses Gerät weist eine hohe Leistungsdichte auf, die etwa tausendmal höher ist als die von wiederaufladbaren Batterien. Es speichert zudem mehr Ladung als ein Kondensator und lädt und entlädt schneller als Batterien.

Neben einer langen zyklischen Stabilität besitzen Superkondensatoren eine schnelle Lade‑/Entlade‑Effizienz, was sie für Anwendungen geeignet macht, die schnelle Energiespitzen benötigen. Heute werden Superkondensatoren zunehmend in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Laser, tragbare Stromversorgungen, Kamerablitzgeräte, gepulste Lichtgeneratoren, erneuerbare Energiesysteme, Hybrid‑Elektrofahrzeuge und industrielle Strombackup‑Lösungen.

Ein Superkondensator besteht aus zwei Elektroden, elektronischen Leitern, die mit dem äußeren Stromkreis verbunden sind, die durch einen Elektrolyten, einen ionischen Leiter, und einen Separator, eine Membran, die sie elektrisch trennt, voneinander getrennt sind, sodass die Elektroden keinen Kurzschluss verursachen, während bestimmte Ionen hindurchtreten können, um einen offenen Stromkreis zu verhindern.

Aufgrund seiner hohen Leistungsdichte und Umweltfreundlichkeit, etwa Recyclingfähigkeit, ist der Superkondensator eines der am weitesten und aktivsten erforschten Energiespeichersysteme.

In einem Superkondensator bestimmt die oberflächenkontrollierte Reaktion hauptsächlich seine Kapazität. Daher ist eine stabile Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt entscheidend, um hohe Leistung zu erzielen und eine stabile elektrochemische Performance zu gewährleisten.

Grenzflächeneigenschaften sind entscheidend für eine hohe elektrochemische Leistung, sodass Forscher verschiedene Methoden entwickeln, um die damit verbundenen Probleme zu verbessern und zu überwinden.

Allerdings stoßen all diese Versuche auf erhebliche Einschränkungen wie Skalierbarkeit, Kosten, Umweltfreundlichkeit und mehrere Verarbeitungsschritte. Daher ist es wichtig, eine nachhaltige Lösung zu finden, die diese Kriterien erfüllt und dennoch die hohe Energie‑/Leistungsdichte eines Superkondensators für einen langfristigen Betrieb erreichen kann. 

Ein Forscherteam aus drei verschiedenen Institutionen hat ein neues Elektrolyt‑Additiv eingeführt, das aus einem konjugierten Biopolymer von Baumgummi (Kondagogu) oder Natrium‑Alginat (KS) besteht. Dieser Baumgummi ist nicht nur weit verbreitet, sondern auch recycelbar. 

Die Einführung des Baumgummis erzeugte eine Schutzschicht auf der Oberfläche der Elektrode, die die Bildung von Nebenprodukten verhinderte und gleichzeitig den einfachen Ionen‑/Elektronentransport ermöglichte. Bemerkenswerterweise führt das Konzept dieses neuartigen Additivs im Superkondensatorsystem zu einer verbesserten elektrochemischen Zuverlässigkeit. 

Schon bei einer geringen KS‑Konzentration von 5 mg ml⁻¹ verbesserte sich die Kapazitätsretention um bis zu 35 % auf beeindruckende 93 % nach 30.000 Zyklen bei einer Stromdichte von 4,0 mA cm⁻². Das ist einfach „bemerkenswert“, wenn man den Einsatz eines sauren H₂SO₄‑Elektrolyten und einer kohlenstoffbasierten Elektrode berücksichtigt. 

Die Studie bezeichnet dies als den „frühesten Bericht“ über eine erhebliche Verbesserung des Langzeitbetriebs von Superkondensatoren durch die Einführung eines biopolymeren konjugierten Elektrolyt‑Additivs. Diese Lösung hat dank ihrer Einfachheit, geringen Kosten und Umweltfreundlichkeit das Potenzial, kommerzialisiert zu werden.

Die Rolle von Baumgummi in nächsten Generationen von Superkondensatoren

Forscher aus Universitäten in Schottland, Südkorea und¹ Indien führten die Forschung durch, die diesen Monat in *Energy Storage Materials* veröffentlicht wurde. 

Dazu gehören die University of Glasgow, die Chung‑Ang University, die Ajou University, die Amrita University und die Myongji University, die gemeinsam die konjugierte KS‑Composite‑Struktur für einen hochstabilen Superkondensator entwarfen, der Biokompatibilität und hervorragende elektrochemische Zuverlässigkeit bietet.

Der hier genutzte Abfallgummi wird von Bäumen in Indien produziert. Baumgummis finden breite Anwendung in Branchen wie Lebensmittel, Kosmetik und Pharmazie. Dieser spezielle Gummi hat jedoch nur wenige praktische Verwendungen.

Tatsächlich sind die verwendeten Gummis „ein wenig Kopfschmerz für die indische Regierung, um sie zu entsorgen“, bemerkte der korrespondierende Autor der Studie, Dr. Jun Young Cheong von der James Watt School of Engineering der University of Glasgow. Er fügte hinzu:

„Mit dieser Forschung haben wir einen Weg gefunden, aus diesem Gummi etwas wirklich Wirkungsvoll­es zu machen, ein biologisch abbaubares, recycelbares Biopolymer, das bemerkenswerte Leistungen ermöglicht und die Nutzungsdauer von Superkondensatoren dramatisch verlängern könnte.“ 

Der Einsatz saurer Elektrolyte beeinflusst die Langzeitleistung von Superkondensatoren. Durch unerwünschte Nebenreaktionen mit ihren Metallelektroden verringern sie im Laufe der Zeit ihre Fähigkeit, eine volle Ladung zu halten.

Dann gibt es das Problem des Austauschs, Recyclings und der Entsorgung von Superkondensatoren am Ende ihrer Lebensdauer. Das trägt zum schnell wachsenden Problem des Elektroschrotts bei, das erhebliche Umwelt‑ und Gesundheitsgefahren darstellt.

Daher nutzte das Team den Gummi Kondagogu, ein Polysaccharid (komplexes Biomolekül), das von der Rinde des Cochlospermum Gossypium‑ oder Kondagogu‑Baums (KO) produziert wird. Die Forscher kombinierten ihn mit Natrium‑Alginat, um ein schwammartiges Biopolymer namens „KS“ zu erzeugen.

Die Zugabe dieses Biopolymers zum sauren Elektrolyten bildete eine schützende Schicht auf den Kohlenstoffelektroden, die die physische Degradation der Elektroden verhinderte. Dieser Schutz wurde gewährt, ohne den Ionen­transport zu beeinträchtigen, wodurch der Superkondensator laden und entladen kann.

Der verbesserte Elektrolyt steigerte die Leistung des Superkondensators signifikant.

„Im Labor haben wir eine hervorragende Leistung über 30.000 Zyklen gezeigt. Wenn wir einen Zyklus pro Tag durchführen würden, könnte der Superkondensator theoretisch mehr als 80 Jahre halten, ohne signifikante Leistungseinbußen, was bedeuten könnte, dass Superkondensatoren in Geräten viel länger eingesetzt werden könnten, ohne ausgetauscht zu werden.“ 

– Dr. Cheong

Die Forschung basiert tatsächlich auf Dr. Cheongs laufender Arbeit zur Nutzung von Bio‑Abfall in Batterien. Seine Forschung hat zudem die Wirksamkeit von wasserlöslichen Gummibindemitteln in Graphitanoden von Li‑Ion‑Batterien gezeigt.

Die „wasserlöslichen Biowaste‑Gummibindemittel für natürliche Graphitanoden für Lithium‑Ion‑Batterien“ wurden veröffentlicht² letzten Sommer und behandelten den Ersatz des herkömmlichen Polyvinylidenfluorids (PVdF), das umweltbelastendes N‑Methyl‑2‑Pyrrolidon verwendet, durch ein wasserlösliches Bindemittel.

Die Studie beschrieb die Herstellung von natürlichen Graphit‑basierten Anoden unter Verwendung von PVdF und wasserlöslichen Biowaste‑(W‑SB‑)Bindemitteln aus dem Gummi des Cochlospermum gossypium‑Baums. Beide nutzten 10 wt % Bindemittel. 

Die NG‑W‑SB‑Elektrode zeigte gute mechanische Eigenschaften und behielt nach dem Zyklieren die strukturelle Integrität bei, was den Ladungstransfer‑Widerstand der Elektrode senkte. Sie zeigte zudem hohe Stromspitzen im ersten Zyklus, was auf eine verbesserte elektrochemische Leistung hindeutet, im Gegensatz zu den leicht niedrigeren Spitzen der NG‑PVdF‑Elektrode, die nach nur 200 Zyklen bereits Kapazitätsdegradation erfuhr. NG‑W‑SB hingegen behält eine höhere stabile Kapazitätsretention bis zu 360 Zyklen bei.

„Im Allgemeinen zeigten W‑SB‑Bindemittel stark verbesserte Zyklusrückhalte‑Eigenschaften, vergleichbare Ratenfähigkeiten und geringeren Elektroden‑Widerstand, was einen neuen Weg eröffnet, Biowaste (Gummi) als funktionales, wasserlösliches Bindemittel für LIB‑Anwendungen zu nutzen“, stellte die Studie fest.

Eine weitere Forschung von Dr. Cheong³ umfasst „Organisch‑material‑abgeleiteter Aktivkohle für umweltfreundliche Maulbeerpapier‑Superkondensatoren“, bei der Aktivkohle (AC) aus Orangenschalen (OP), einem häufigen Abfall, hergestellt und anschließend auf Maulbeerpapier (MP) beschichtet wurde, das Hydrophilie, hohen Holzzellulosegehalt und starke Bindung mit dem aktiven Material aufweist. Eine weitere Beschichtung aus Poly(3,4‑Ethylen‑dioxythiophen)‑Polystyrol‑Sulfonat (PEDOT:PSS) wurde verwendet, um ein doppelt beschichtetes MP für den Superkondensator zu fertigen.

Weitere Entwicklungen im Bereich Superkondensatoren

Angesichts der kritischen Bedeutung von Superkondensatoren in verschiedenen Anwendungen untersuchen Forscher weltweit aktiv Wege, ihre Leistung zu verbessern. 

Plasmabehandlung zur Verbesserung der Kapazität

Erst diesen Monat stellten Wissenschaftler des Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Russland eine Plasmabehandlung vor, die die Kapazität von Superkondensatoren verdoppeln kann.

Das Team, laut dem Hauptuntersuchungsleiter der Studie, Assistenzprofessor Stanislav Evlashin, untersucht Wege, die Leistung von Superkondensatoren zu verbessern, „indem man am kohlenstoffbasierten Material der Elektroden herumbastelt.“

Es gibt zwei Wege, die Energiemenge, die ein Superkondensator speichert, zu erhöhen, erklärte Evlashin:

„Entweder vergrößerst du die effektive Oberfläche der Elektroden durch komplexe Oberflächengestaltung oder du führst Fremdatome in das Kohlenstoffmaterial der Elektroden ein.“

Ihre Studie konzentrierte sich auf die Wirkung der Einführung von Fremdatomen in das Kohlenstoffmaterial der Superkondensatorelektroden mittels Plasmabehandlung. 

Das Team testete den Einfluss 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 stellten fest, dass zuerst der amorphe Kohlenstoff, der nach dem Wachstum der Nanowand‑Strukturen verbleibt, entfernt wird. Danach bilden sich neue Defekte und heteroatomare Einfügungen in die Kohlenstoffstruktur. Amorpher Kohlenstoff zusammen mit den Stickstoff‑Heteroatomen trägt zur Entstehung von Pseudokapazität bei.“

– Evlashin

Leistungssteigerung durch Elektroden‑ & Material‑Engineering

Diese Woche haben Forscher der University of California die Elektro‑Kristallisations‑Orientierung⁴ sowie die Oberflächenaktivierung bei breit‑temperaturigen ZHSCs (Zink‑Ion‑Superkondensatoren) entwickelt.

Wie die Studie feststellt, ist das Angleichen der Kapazität von Anode und Kathode notwendig, um die Leistung der elektrochemischen Zelle zu maximieren. Daher stellten sie zwei Ansätze vor, um die Ausnutzung der Elektroden in ZHSCs zu nivellieren. 

Dazu gehört die Minimierung der Dendritbildung, die die Zykluslebensdauer erhöht, durch Modifizierung des Anoden‑Stromabnehmers mit Kupfer‑Nanopartikeln. Die andere Strategie bestand darin, die Kapazität der aktivierten Kohlenstoff‑Kathode durch eine Elektrolyt‑Reaktion zu erhöhen.

Die Vollzelle behielt 84 % ihrer Kapazität selbst nach 50.000 vollständigen Lade‑Entlade‑Zyklen bis zu 2 V bei. Ihre kumulative Kapazität lag gleichzeitig bei 19,8 Ah cm⁻², was ZHSCs übertrifft und dieses Gerätedesign als „vielversprechend für hoch‑ausdauernde Anwendungen, einschließlich unterbrechungsfreier Stromversorgungen und Energieerntesysteme, die häufiges Zyklen erfordern“, bezeichnet.

Eine Studie vom letzten Monat empfahl⁵ die Modifizierung der Anionen‑Struktur von Lithium‑Kobaltoxid, um die Energiedichte und Ladungsspeicherkapazität von Superkondensatoren zu verbessern.

Dazu wurde Lithium‑Kobaltoxid zu LiCoO₁.₆(F₀.₈Cl₀.₂)₀.₄ modifiziert, was beeindruckende Leistungskennzahlen zeigte, darunter eine Kapazität von 512 F g⁻¹ und eine Coulomb‑Effizienz von knapp über 92 % nach 4.000 Zyklen bei einer Stromdichte von 2 A g⁻¹. Die elektrochemische Stabilität des modifizierten Materials bei erhöhten Stromraten sowie ein niedriger äquivalenter Serienwiderstand positionieren es laut Studie „als bedeutenden Kandidaten für zukünftige Fortschritte in der Superkondensator‑Technologie.“

Kunststoff‑Superkondensatoren für mehr Energiespeicherung

Forscher verwenden sogar Kunststoff, um Superkondensatoren zu verbessern. Chemiker der UCLA entwickelten texturierte, pelzartige PEDOT‑Nanofasern, die mehr Oberfläche zum Laden von Ladung und eine überlegene elektrische Leitfähigkeit besitzen.

PEDOT oder Poly(3,4‑Ethylen‑dioxythiophen) ist ein transparenter und flexibler Film, der auf die Oberflächen von elektronischen Bauteilen und fotografischen Folien aufgebracht wird, um sie vor elektrostatischer Aufladung zu schützen. Sein Potenzial für Energiespeicherung ist jedoch begrenzt, da PEDOT‑Materialien nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit und Oberflächenfläche besitzen, um große Energiemengen zu speichern.

Durch eine innovative Methode kontrollierten die Chemiker jedoch die Morphologie von PEDOT, um Nanofasern präzise zu züchten. Der Dampfphasen‑Wachstumsprozess erzeugte vertikale PEDOT‑Nanofasern, die wie dichtes Gras nach oben wuchsen.

„Das einzigartige vertikale Wachstum des Materials ermöglicht es uns, PEDOT‑Elektroden zu schaffen, die viel mehr Energie speichern als traditionelles PEDOT.“

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

Das Team fertigte anschließend einen Superkondensator mit PEDOT‑Strukturen, der fast zehnmal mehr Ladung speicherte als konventionelles PEDOT und fast 100.000 Lade‑Zyklen überstand.

Laut dem korrespondierenden Autor, Professor Richard Kaner, der sowohl Chemie als auch Materialwissenschaft und -technik lehrt:

„Die außergewöhnliche Leistung und Haltbarkeit unserer Elektroden zeigen großes Potenzial für den Einsatz von Graphen‑PEDOT in Superkondensatoren, die unserer Gesellschaft helfen können, den Energiebedarf zu decken.“

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Superkondensatoren zu Batterien hinzufügen, um die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen

Mitten in all dieser Forschung hat sogar der deutsche Automobilhersteller BMW ein Patent für einen Superkondensator angemeldet, der Hybrid‑Rennwagen innerhalb einer Minute laden soll.

Das Unternehmen untersucht das Potenzial, einen motorsport‑spezifischen Superkondensator zu Batterien hinzuzufügen, um die Ladezeit erheblich zu verkürzen. Laut der Anmeldung würde die Kopplung eines Hybrid‑Supersportwagens mit einer Kapazität von über 20 kWh an ein bestehendes batteriebasiertes System helfen, einige der wichtigsten Nachteile beider Systeme zu überwinden.

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

Der Konkurrent, die Volkswagen Group, verwendet bereits einen Superkondensator im Lamborghini Sian. Der Superkondensator speichert elektrische Energie, die dann an einen Elektromotor abgegeben wird. Der Sian verfügt über einen 25 kW‑Motor, der in das Getriebe integriert ist, um einen E‑Boost für den 577 kW‑Motor eines 6,5‑Liter‑V12 zu liefern oder ihn bei niedrigen Geschwindigkeiten vollständig elektrisch zu betreiben.

Innovative Unternehmen im Feld

Der globale Superkondensator‑Markt hat ein Volumen von mehreren Milliarden Dollar, getrieben durch die steigende Nachfrage nach nachhaltigen und energieeffizienten Energiespeicherlösungen. Daher arbeiten viele Unternehmen, wie Panasonic Corporation und Skeleton Technologies, an der Verbesserung der Technologie.

Ein prominenter Name in diesem Bereich ist die AVX Corporation, die 2020 von dem japanischen Elektronikhersteller Kyocera Corporation übernommen wurde, woraufhin die AVX‑Aktien am NYSE nicht mehr gehandelt wurden. Kyoceras Aktien werden hingegen am OTC‑Markt (KYOCF:OTCPK) zu 10,70 $ gehandelt, was eine Marktkapitalisierung von 15,85 Milliarden $ ergibt. Sie zahlen eine Dividendenrendite von 3,12 %.

Die KEMET Corporation ist ebenfalls dafür bekannt, ein breites Sortiment an Superkondensatoren mit Hochleistungs‑Features anzubieten, die als Sekundärbatterien in Gleichstrom‑Stromversorgungs‑Anwendungen eingesetzt werden können. Laut ihrer offiziellen Website eignen sich die Geräte am besten für den Einsatz in Niederspannungs‑DC‑Hold‑Up‑Anwendungen. Ursprünglich ein US‑Unternehmen, das 1990 an der NYSE notiert war, wurde KEMET 2020 von dem taiwanesischen Unternehmen Yageo Corporation übernommen.

Maxwell Technologies ist ein weiterer bedeutender Hersteller von Ultrakondensatoren. Tesla (TSLA ) erwarb das Unternehmen 2019, verkaufte es jedoch 2021 an UCAP Power. Trotz des Verkaufs behielt der EV‑ und Batteriehersteller mit einer Marktkapitalisierung von 817,34 Milliarden $ sein Trocken‑Elektroden‑Herstellungsverfahren, das auf seiner Kondensator‑Technologie basiert. Die TSLA‑Aktien liegen derzeit um über 37 % im Jahresverlauf bei 248,80 $.

Dann gibt es das in Australien ansässige CAP‑XX, das dünne, prismatische Superkondensatoren für den Einsatz in handgehaltenen Consumer‑Geräten, kommerzieller und industrieller Elektronik sowie sauberen Energieanwendungen herstellt. Es ist an der London Stock Exchange AIM gelistet.

Die Superkondensatoren von CAP‑XX zeichnen sich durch hohe Energiedichte, hohe Zellspannung und extrem niedrigen Leckstrom aus. Mit Hilfe ihrer Superkondensatoren können Hersteller die Batteriekapazität, das Gewicht und die Kosten reduzieren, die Anzahl und Kosten der beteiligten Komponenten senken und ihre Umweltauswirkungen verringern.

Fazit

Während Batterien das Rampenlicht erobert haben, gewinnen Superkondensatoren an Bedeutung, da sie zu den wichtigsten Komponenten im globalen Energiesystem werden. Schließlich können sie hohe Effizienz, lange Zykluslebensdauer und sofortige Leistungsabgabe bieten.

Derzeit ergänzen Superkondensatoren den Energiespeichersektor für Anwendungen wie Unterhaltungselektronik, Glättung erneuerbarer Energien, Hybrid‑EVs und Backup‑Strom, die schnelle Lade‑Entlade‑Zyklen und lange Betriebszeiten erfordern.

Die breitere Einführung von Superkondensatoren wird jedoch noch durch Kosten, Material‑ und Umweltaspekte begrenzt. Ansätze wie baumgummi‑basierte Biopolymere gehen diese Herausforderungen jedoch an, was auf eine vielversprechende Zukunft für Superkondensatoren hindeutet. Die Kommerzialisierung wird Zeit benötigen, aber sobald sie an Fahrt gewinnt, können Superkondensatoren zum Mainstream werden und eine Schlüsselrolle in nachhaltigen Energiesystemen spielen.

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Studien zitiert:

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). Langzeit‑Superkondensator mit stabiler Elektroden‑Elektrolyt‑Grenzfläche ermöglicht durch ein biopolymer‑konjugiertes Elektrolyt‑Additiv. *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). Wasserlösliche Biowaste‑Gummibindemittel für natürliche Graphitanoden für Lithium‑Ion‑Batterien. *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). Aus organischem Material abgeleitete Aktivkohle für umweltfreundlichen Maulbeerpapier‑Superkondensator. *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 der elektro‑Kristallisations‑Orientierung und Oberflächenaktivierung in breit‑temperaturigen Zink‑Ion‑Superkondensatoren. *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‑Kobaltoxid für den Einsatz in Hochleistungs‑Superkondensatoren. *Scientific Reports*, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7