Drei kleine Stromspeicher aus zementgebundenem Material reichen aus, um mehrere LEDs zum Leuchten zu bringen. Forschende aus China haben dafür spezielle Elektroden mit einem 3D-Drucker hergestellt. Ihre Konstruktion soll ein Problem bisheriger Beton-Superkondensatoren lösen: den langen Weg der geladenen Teilchen durch das Material.
Beton ist vor allem dafür da, Lasten aufzunehmen. Doch der Baustoff könnte künftig noch eine zweite Aufgabe übernehmen: elektrische Energie speichern. Forschende des Harbin Institute of Technology und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben einen zementbasierten Superkondensator entwickelt, dessen Elektroden mit einem 3D-Drucker hergestellt werden.
In einem Experiment verband das Team drei dieser Speicherelemente miteinander. Die gespeicherte Energie reichte aus, um mehrere Leuchtdioden zu betreiben. Gleichzeitig erreichte das Material eine Druckfestigkeit von 23 MPa. Die Ergebnisse veröffentlichten Haiping Wu, Jing Zhong und Wencai Ren in der Fachzeitschrift ACS Nano. Die American Chemical Society (ACS) stellte die Studie am 1. Oktober 2026 in einer Pressemitteilung vor.
Warum die Elektroden wie zwei Kämme ineinandergreifen
Die eigentliche Neuerung steckt im Inneren des Speichers. Die Forschenden druckten zwei Elektroden in einer Form, die an ineinandergreifende Kämme erinnert. Ihre schmalen Bereiche liegen dicht nebeneinander, ohne sich elektrisch zu berühren. Das verkürzt die Wege, die geladene Teilchen im Elektrolyten zurücklegen müssen.
Bei herkömmlichen Superkondensatoren sind die Elektroden häufig übereinander angeordnet. Die Ionen bewegen sich dann durch die Dicke der dazwischenliegenden Elektrolytschicht. Wird dieser Weg länger, kann das die elektrische Leistung beeinträchtigen.
Die chinesischen Forschenden veränderten deshalb die Geometrie. In ihrem Aufbau bewegen sich die Ionen zwischen benachbarten Elektrodenbereichen. Zugleich entsteht eine größere Kontaktfläche zwischen Elektroden und Elektrolyt.
Für die Elektroden mischte das Team Zement mit Kohlenstoffnanoröhren und Industrieruß. Die Kohlenstoffbestandteile machen das Material elektrisch leitfähig. Mit einem 3D-Drucker wurde die Masse anschließend in der gewünschten Form aufgetragen.
Die gedruckten Elektroden sind in einen zementgebundenen Separator eingebettet. Dieser trennt sie elektrisch voneinander, ermöglicht aber den Transport der Ionen im Elektrolyten.
Die Forschenden sprechen von einer monolithischen Konstruktion. Anders als bei separat hergestellten und anschließend verbundenen Schichten sollen die integrierten Materialien das Risiko verringern, dass sich Elektroden und Separator an ihren Grenzflächen ablösen.
Wie Beton elektrische Energie speichert
Der neue Baustoff funktioniert nicht wie eine gewöhnliche Batterie. Es handelt sich um einen Superkondensator. Er speichert elektrische Energie hauptsächlich durch die Trennung von Ladungen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt.
Dazu sind zwei Transportmechanismen notwendig: Elektronen bewegen sich durch die leitfähigen Elektroden, während Ionen im Elektrolyten die Ladungsverteilung ermöglichen. Bei einer Batterie wird die Energie dagegen überwiegend durch elektrochemische Reaktionen gespeichert. Superkondensatoren können in der Regel schneller geladen und entladen werden, nehmen dafür aber meist weniger Energie auf.
Dass Beton überhaupt Strom speichern kann, zeigten Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) bereits 2023. Damals kombinierten sie Zement, Wasser und Ruß zu einem elektrisch leitfähigen Material.
Auch die amerikanischen Forschenden entwickelten ihr Verfahren weiter. Im September 2025 berichteten sie über eine gegenüber ihren früheren Versuchen etwa zehnfach höhere Energiedichte. Außerdem stellten sie ein 12-V-Speichermodul und ein kleines tragfähiges Gewölbe mit integrierter Speicherfunktion her, das eine LED versorgte. Das chinesische Team setzt nun vor allem an der Geometrie der Elektroden an. Damit verfolgt es einen anderen Ansatz zur Verbesserung der Speicherleistung.
23 MPa Druckfestigkeit und Strom für LEDs
Wie leistungsfähig der neue Superkondensator ist, untersuchten die Forschenden mit elektrischen und mechanischen Tests. Dabei erreichte das optimierte Speicherelement eine flächenbezogene Kapazität von 162,14 mF/cm². Gemessen wurde dieser Wert bei einer Stromdichte von 0,46 mA/cm².
Die Energiedichte lag bei 22,52 µWh/cm², die Leistungsdichte bei 0,49 mW/cm². Das untersuchte Spannungsfenster betrug 1,0 V. Die Energiedichte beschreibt, wie viel elektrische Energie gespeichert werden kann. Die Leistungsdichte gibt an, wie viel Leistung der Speicher bezogen auf seine aktive Fläche abgeben kann.
Aus diesen Messwerten lässt sich allerdings nicht unmittelbar berechnen, wie viel Strom eine ganze Betonwand oder ein Gebäudefundament speichern könnte. Dafür müssten Größe, Aufbau und Verschaltung eines entsprechend skalierten Systems bekannt sein.
Auch die mechanische Festigkeit wurde geprüft. Mit 23 MPa erreichte das Material nach Angaben der ACS eine Druckfestigkeit, die mit handelsüblichem Beton für bestimmte Platten und Treppen vergleichbar ist. Das ist für die Kombination von Speicher- und Baustofffunktion relevant. Ein Nachweis für den Einsatz als tragendes Bauteil liegt damit aber noch nicht vor. Dafür wären weitere Prüfungen zur Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit und zum Verhalten unter wechselnden Belastungen erforderlich.
Was gegenüber den bisherigen Beton-Speichern besser ist
Der chinesische Ansatz greift zwei Schwachstellen bisheriger zementbasierter Superkondensatoren auf. Die erste betrifft den Ionentransport. Bei zunehmender Dicke eines herkömmlich geschichteten Speichers können die längeren Transportwege die elektrochemische Leistung verschlechtern. Die ineinandergreifenden Elektroden sollen diesen Effekt verringern.
Die zweite betrifft die Verbindung zwischen den Materialien. Wenn Elektroden und Separator aus getrennten Schichten bestehen, können mechanisch anfällige Grenzflächen entstehen. Die integrierte Bauweise soll das Risiko einer Ablösung reduzieren.
Beide Eigenschaften sind für größere Speicherelemente spannend. Ob das Verfahren bei zunehmender Größe seine Vorteile behält, muss jedoch noch untersucht werden. Ein direkter Leistungsvergleich mit den Superkondensatoren des MIT ist anhand der veröffentlichten Einzelwerte nicht sinnvoll. Die Systeme unterscheiden sich unter anderem in ihrer Geometrie und den verwendeten Messbedingungen.
Warum Frost zum Problem wird
Bei den Temperaturversuchen zeigte sich eine weitere Grenze der Technik. Unter moderater Erwärmung und Abkühlung arbeitete der Superkondensator stabil. Bei −18 °C nahm seine Leistung dagegen deutlich ab. Die Forschenden führen das unter anderem auf Probleme mit dem wasserhaltigen Elektrolyten zurück. Bei niedrigen Temperaturen wird der Ionentransport erschwert. Auch das mögliche Gefrieren des Elektrolyten spielt eine Rolle.
Für Bauteile im Außenbereich ist das interessant. Sie müssen über viele Jahre mit wechselnden Temperaturen und Feuchtigkeitsbedingungen zurechtkommen. Die Forschenden wollen deshalb insbesondere die Beständigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessern. Offen ist außerdem, wie zuverlässig größere Speicherelemente über lange Zeiträume arbeiten und wie ihre elektrischen Anschlüsse in eine Gebäudekonstruktion integriert werden könnten.
Können Gebäude künftig ihren eigenen Strom speichern?
Langfristig könnten solche Superkondensatoren elektrische Energie aufnehmen, die beispielsweise von einer Solaranlage auf dem Gebäude erzeugt wird. Denkbar wäre auch die Versorgung kleiner elektrischer Verbraucher wie Sensoren zur Bauwerksüberwachung oder einer Notbeleuchtung.
Jing Zhong, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, beschreibt die mögliche Nutzung in der ACS-Pressemitteilung Oktober 2026 so: „Wenn genügend erneuerbare Energie zur Verfügung steht, um die Superkondensatoren häufig genug wieder aufzuladen, könnten sie durch wiederholtes Laden und Entladen einen Teil des Energiebedarfs decken.“
Quellen
- Wu, Zhong und Ren (2026): Monolithic 3D-Printed Interdigitated Cement-Based Supercapacitors for Structural Energy Storage – ACS Nano, Band 20, Ausgabe 34, S. 24078–24090. Originalstudie, online veröffentlicht am 17. August 2026.
- American Chemical Society: Cement-based supercapacitors could power next-generation smart buildings – Pressemitteilung vom 1. Oktober 2026 mit dem Originalzitat von Jing Zhong.
- PubMed: Zusammenfassung der Originalstudie – Technische Kennzahlen, Temperaturverhalten und Materialaufbau.
Ein Beitrag von:
