Dr. Vasily Artemov und Team Wasserbasierter Superkondensator DESY PETRA III; 60.000 Ladezyklen stabil

Wasser, Ton und Kohlenstoff: Ein neuer Weg zur nachhaltigen Energiespeicherung

Forschende demonstrieren einen vollständig auf Wasser basierenden Superkondensator, der über 60.000 Ladezyklen stabil bleibt

Das neue Speichersystem basiert auf in der Natur reichlich vorhandenen Elementen Wasser, Ton und Graphen und ermöglicht eine effektive und nachhaltige Energiespeicherung

Kann Wasser elektrische Energie speichern? Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Vasily Artemov im Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“ an der Technischen Universität Hamburg hat nun gezeigt, dass dies möglich ist. Indem sie Wasser in nanometergroßen Kanälen in Tonmineralien einkapselten, entwickelten die Forscher einen Superkondensator, der elektrische Ladung effizient speichern und transportieren kann.

Das Besondere an dieser Entdeckung ist, dass sie reines Wasser als Elektrolyt nutzt – also als Medium, das elektrische Ladung transportiert. Herkömmliche Batterien und Superkondensatoren basieren in der Regel auf zugesetzten Salzen, Säuren oder anderen chemischen Elektrolyten. Im Gegensatz dazu kommt das neue System ohne solche Zusätze aus und basiert ausschließlich auf natürlich und häufig vorkommenden Materialien: Wasser, Ton und Kohlenstoff.

„Unser Ziel ist es, sicherere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien zu entwickeln, die auf häufig vorkommenden Rohstoffen statt auf komplexen chemischen Verbindungen basieren“, sagt Vasily Artemov, Hauptautor der Studie: „Das System speichert und gibt Energie effizient ab, arbeitet für ein wasserbasiertes System mit einer vergleichsweise hohen Spannung und bleibt über Zehntausende von Ladezyklen stabil.“

Das neue Gerät gehört zu einer Klasse von Energiespeichertechnologien, die als Superkondensatoren bekannt sind. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch chemische Reaktionen speichern, speichern Superkondensatoren Energie durch die Trennung elektrischer Ladungen. Dadurch lassen sie sich sehr schnell auf- und entladen und haben oft eine außergewöhnlich lange Lebensdauer.

Die Forscher nennen ihr System den „Blue Capacitor“. Das Herzstück der Technologie sind Kanäle mit einer Breite von etwa einem Nanometer, was etwa 100.000 Mal dünner ist als ein menschliches Haar. In diesen winzigen Räumen zeigt Wasser Eigenschaften, die in gewöhnlichem Wasser nicht zu finden sind, und kann dadurch Ladung effizient bewegen. Um diesen Effekt zu nutzen, kombinierten die Forscher Tonmineralien mit Graphen, einer hochleitfähigen Form von Kohlenstoff. Zusammen bilden die Schichten Millionen winziger Kanäle, die sich mit Wasser füllen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass in Nanostrukturen eingeschlossenes Wasser als aktiver Elektrolyt in einem praktischen Energiespeichergerät dienen kann“, sagt Artemov.

In Labortests zeigte der Blue Capacitor über mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen eine stabile Leistung. Das System arbeitete zudem bei Spannungen von bis zu 1,6 Volt, was für ein wasserbasiertes Energiespeichersystem ein vergleichsweise hoher Wert ist. Die Forscher sehen darin einen Beweis dafür, dass die einzigartigen Eigenschaften von Wasser auf der Nanoskala für praktische Anwendungen genutzt werden können. Die Experimente wurden in den Einrichtungen von PETRA III am DESY durchgeführt, einem der weltweit führenden Zentren für Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. „DESY’s brillante Röntgenquelle PETRA III ermöglichte es uns, die ultradünnen Lagen aus einzelnen Wasserschichten in den Tonstrukturen sichtbar zumachen“, ergänzt Prof. Patrick Huber, Co-Autor der Studie.

Die Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und es sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, bevor kommerzielle Anwendungen möglich werden. Die Forscher glauben jedoch, dass das Konzept einen praktischen Weg zu zukünftigen Energiespeichertechnologien bieten könnte. Mögliche Anwendungen umfassen die Speicherung erneuerbarer Energie aus Solar- und Windkraft, die Unterstützung von Stromnetzen und die Stromversorgung von Geräten, die häufiges Laden und Entladen erfordern. Über die Energiespeicherung hinaus könnten die Ergebnisse neue Technologien inspirieren, die die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser im Nanobereich nutzen, darunter fortschrittliche Sensoren, bio-inspirierte Systeme und neuromorphes Rechnen. „Unsere Arbeit zeigt, dass selbst eine vertraute Substanz wie Wasser unerwartete Eigenschaften offenbaren kann, wenn man sie im Nanobereich betrachtet“, sagt Artemov. „Durch das Verständnis dieser Eigenschaften könnten wir in der Lage sein, völlig neue technologische Anwendungen zu entwickeln.“

Vasily Artemov, Svetlana Babiy, Yunfei Teng, Jiaming Ma, Alexander Ryzhov, Tzu-Heng Chen, Lucie Navratilova, Victor Boureau, Pascal Schouwink, Mariia Liseanskaia, Patrick Huber, Fikile Brushett, Lyesse Laloui, Giulia Tagliabue, Aleksandra Radenovic; “All-water supercapacitor enabled by 1-nm clay channels”; Nature Communications, Volume 17, 2026-6-5

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