Stromspeicher der Zukunft: Kunststoff statt Lithium?
(Bild: sommart sombutwanitkul / Shutterstock.com)
Neuartiger Kunststoff könnte Energiespeicher verändern. Er kann Strom besser leiten und speichern. Könnte das Material Lithium-Batterien überflüssig machen?
Kunststoffe haben unsere moderne Welt geprägt – und es gibt kaum einen Lebensbereich, der nicht von ihnen berührt ist. Für viele Menschen stehen heute allerdings ihre negativen Seiten im Vordergrund, was aufgrund der Müllstrudel in den Ozeanen nicht verwunderlich ist. Dennoch können manche Kunststoffe auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.
Einige Polymere könnten zum Beispiel die Energiewende vorantreiben, da sie die Eigenschaft haben, Strom leiten und speichern zu können. Einer dieser Stoffe, die heute häufig verwendet werden, ist PEDOT. Diese Bezeichnung steht für: Poly(3,4-ethylendioxythiophen).
PEDOT findet sich in zahlreichen elektronischen Anwendungen – in Touchscreens, organischen Solarzellen und elektrochromen Fenstern, die ihre Transparenz auf Knopfdruck ändern. Doch sein Nutzen als Energiespeicher war bisher begrenzt. Das liegt daran, dass kommerziell erhältliches PEDOT weder über die notwendige Leitfähigkeit noch über eine genügend große Oberfläche verfügt, um große Energiemengen speichern zu können.
Mit Nanofasern zu leistungsfähigeren Superkondensatoren
Doch das könnte sich schon bald ändern. Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) haben jetzt einen Weg gefunden, diese Hürden zu überwinden. In einem Artikel, der jetzt in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde, beschreiben sie eine innovative Methode, um die Morphologie von PEDOT präzise zu steuern und Nanofasern zu züchten.
Diese hauchdünnen Fasern weisen eine außergewöhnliche Leitfähigkeit und eine stark vergrößerte Oberfläche auf – beides Schlüsselfaktoren, um die Energiespeicherkapazität des Kunststoffs zu verbessern. Damit könnte das Material Superkondensatoren, die blitzschnell große Energiemengen aufnehmen und abgeben können, deutlich leistungsfähiger machen.
"Das einzigartige vertikale Wachstum des Materials ermöglicht es uns, PEDOT-Elektroden herzustellen, die weitaus mehr Energie speichern als herkömmliches PEDOT", erklärt Maher El-Kady, Materialwissenschaftler an der UCLA und Hauptautor der Studie. Weiter:
Elektrische Ladung wird auf der Oberfläche des Materials gespeichert, und herkömmliche PEDOT-Filme haben nicht genug Oberfläche, um sehr viel Ladung zu speichern. Wir haben die Oberfläche von PEDOT vergrößert und dadurch seine Kapazität so weit erhöht, dass ein Superkondensator gebaut werden kann.
Mit Dampf und Graphenoxid zu fellartigen Strukturen
Doch wie gelang es den Forschern, diese vielversprechenden Nanofasern zu erzeugen? Sie nutzten dafür einen speziellen Dampfphasen-Wachstumsprozess. Zunächst brachten sie einen Tropfen einer Flüssigkeit, die Graphenoxid-Nanoplättchen und Eisenchlorid enthält, auf eine Graphitplatte auf.
Dann setzten sie diese Probe einem Dampf aus Monomeren aus – den Bausteinen, aus denen sich das PEDOT-Polymer zusammensetzt. Anstatt sich zu einem dünnen, flachen Film zusammenzufügen, wuchsen die Monomere zu einer dicken, fellartigen Struktur heran. Dadurch vergrößerte sich die Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichem PEDOT enorm.
Ein Polymer ist im Wesentlichen eine lange Kette von Molekülen, die aus kürzeren Blöcken, sogenannten Monomeren, aufgebaut ist. Man kann es sich wie eine Kette aus einzelnen Perlen vorstellen, die aneinandergereiht sind. Wir erhitzen die flüssige Form der Monomere in einer Kammer. Wenn die Dämpfe aufsteigen, reagieren sie chemisch, wenn sie mit der Oberfläche der Graphen-Nanoplättchen in Kontakt kommen. Durch diese Reaktion verbinden sich die Monomere und bilden vertikale Nanofasern. Diese Nanofasern haben eine viel größere Oberfläche, was bedeutet, dass sie viel mehr Energie speichern können.
Neue PEDOT-Nanofasern übertreffen alle Erwartungen
Das Ergebnis übertraf alle Erwartungen, wie die UCLA kürzlich mitteilte. Die Leitfähigkeit des neuen PEDOT-Materials ist 100-mal höher als die von kommerziellen. Und die elektrochemisch aktive Oberfläche ist viermal größer als die von herkömmlichem PEDOT.
Dank der dicken Schicht Nanofasern auf der Graphenschicht verfügt das Material nun über eine der höchsten Ladungsspeicherkapazitäten für PEDOT, die bisher gemeldet wurden – mehr als 4.600 Millifarad pro Quadratzentimeter. Zudem ist es unglaublich langlebig und hält mehr als 70.000 Ladezyklen stand.
"Die außergewöhnliche Leistung und Haltbarkeit unserer Elektroden zeigt ein großes Potenzial für die Verwendung von Graphen-PEDOT in Superkondensatoren, die unserer Gesellschaft helfen können, ihren Energiebedarf zu decken", betont Richard Kaner, Professor für Chemie und Materialwissenschaften an der UCLA und Co-Autor der Studie.
Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Stromspeichern
Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch langsame chemische Reaktionen speichern, speichern und geben Superkondensatoren Energie durch die Ansammlung elektrischer Ladung auf ihrer Oberfläche ab. Dadurch können sie extrem schnell geladen und entladen werden. Das macht sie ideal für Anwendungen, die schnelle Stromstöße erfordern, wie regenerative Bremssysteme in Elektrofahrzeugen oder Kamerablitze.
Die Ergebnisse der UCLA-Forscher ebnen den Weg für Superkondensatoren, die nicht nur schneller und effizienter, sondern auch langlebiger sind. Damit markieren sie einen Meilenstein auf dem Weg zu verbesserten Stromspeichern – eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende und eine nachhaltigere Zukunft.