Superkondensatoren sind ein treffend benannter Gerätetyp, der Energie schneller speichern und abgeben kann als herkömmliche Batterien. Sie sind für Anwendungen wie Elektroautos, drahtlose Telekommunikation und Hochleistungslaser sehr gefragt.

Um diese Anwendungen zu realisieren, benötigen Superkondensatoren jedoch bessere Elektroden, die den Superkondensator mit den Geräten verbinden, die auf ihre Energie angewiesen sind. Diese Elektroden müssen sowohl schneller als auch kostengünstiger in großem Maßstab hergestellt werden können und außerdem in der Lage sein, ihre elektrische Ladung schneller zu laden und zu entladen. Ein Team von Ingenieuren an der University of Washington glaubt, ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren entwickelt zu haben, das diesen strengen Industrie- und Nutzungsanforderungen gerecht wird.

Die Forscher unter der Leitung von Peter Pauzauskie, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der UW, veröffentlichten am 17. Juli in der Zeitschrift Nature Microsystems and Nanoengineering einen Artikel, in dem sie ihre Superkondensatorelektrode und die schnelle und kostengünstige Art ihrer Herstellung beschrieben. Ihre neuartige Methode beginnt mit kohlenstoffreichen Materialien, die zu einer Matrix geringer Dichte, einem sogenannten Aerogel, getrocknet wurden. Dieses Aerogel allein kann als grobe Elektrode fungieren, aber Pauzauskies Team hat seine Kapazität, also seine Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern, mehr als verdoppelt.

Diese kostengünstigen Ausgangsmaterialien, gepaart mit einem optimierten Syntheseprozess, minimieren zwei häufige Hindernisse für die industrielle Anwendung: Kosten und Geschwindigkeit.

„Bei industriellen Anwendungen ist Zeit Geld“, sagte Pauzauskie. „Wir können die Ausgangsmaterialien für diese Elektroden in Stunden statt in Wochen herstellen. Und das kann die Synthesekosten für die Herstellung von Hochleistungs-Superkondensatorelektroden erheblich senken.“

Effektive Superkondensatorelektroden werden aus kohlenstoffreichen Materialien synthetisiert, die zudem über eine große Oberfläche verfügen. Letztere Anforderung ist aufgrund der einzigartigen Art und Weise, wie Superkondensatoren elektrische Ladung speichern, von entscheidender Bedeutung. Während eine herkömmliche Batterie elektrische Ladungen über die in ihr ablaufenden chemischen Reaktionen speichert, speichert und trennt ein Superkondensator stattdessen positive und negative Ladungen direkt auf seiner Oberfläche.

„Superkondensatoren können viel schneller agieren als Batterien, da sie nicht durch die Reaktionsgeschwindigkeit oder die sich bildenden Nebenprodukte begrenzt sind“, sagte Co-Hauptautor Matthew Lim, ein UW-Doktorand am Department of Materials Science & Engineering. „Superkondensatoren können sich sehr schnell laden und entladen, weshalb sie diese ‚Energieimpulse‘ hervorragend liefern können.“

„Sie eignen sich hervorragend für Umgebungen, in denen eine Batterie allein zu langsam ist“, sagte der Hauptautor Matthew Crane, ein Doktorand an der Fakultät für Chemieingenieurwesen der UW. „In Momenten, in denen eine Batterie zu langsam ist, um den Energiebedarf zu decken, könnte ein Superkondensator mit einer Elektrode mit großer Oberfläche schnell eingreifen und das Energiedefizit ausgleichen.“

Um die große Oberfläche für eine effiziente Elektrode zu erhalten, verwendete das Team Aerogele. Hierbei handelt es sich um feuchte, gelartige Substanzen, die einer speziellen Trocknungs- und Erhitzungsbehandlung unterzogen wurden, um ihre flüssigen Bestandteile durch Luft oder ein anderes Gas zu ersetzen. Diese Methoden bewahren die 3D-Struktur des Gels und verleihen ihm eine große Oberfläche und eine extrem niedrige Dichte. Es ist, als würde man das gesamte Wasser aus Wackelpudding entfernen, ohne dass es schrumpft.

„Ein Gramm Aerogel enthält etwa so viel Oberfläche wie ein Fußballfeld“, sagte Pauzauskie.

Crane stellte Aerogele aus einem gelartigen Polymer her, einem Material mit sich wiederholenden Struktureinheiten, das aus Formaldehyd und anderen kohlenstoffbasierten Molekülen hergestellt wurde. Dies stellte sicher, dass ihr Gerät, wie die heutigen Superkondensatorelektroden, aus kohlenstoffreichen Materialien bestehen würde.

Zuvor hatte Lim gezeigt, dass die Zugabe von Graphen – einer nur ein Atom dicken Kohlenstoffschicht – zum Gel dem resultierenden Aerogel Superkondensatoreigenschaften verleiht. Lim und Crane mussten jedoch die Leistung des Aerogels verbessern und den Syntheseprozess billiger und einfacher machen.

In Lims früheren Experimenten hatte die Zugabe von Graphen die Kapazität des Aerogels nicht verbessert. Stattdessen beluden sie Aerogele mit dünnen Schichten aus Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid. Beide Chemikalien werden heute häufig in Industrieschmierstoffen verwendet.

Die Forscher behandelten beide Materialien mit hochfrequenten Schallwellen, um sie in dünne Schichten aufzubrechen und sie in die kohlenstoffreiche Gelmatrix einzubauen. Sie konnten in weniger als zwei Stunden ein vollständig beladenes Nassgel synthetisieren, während andere Methoden viele Tage dauern würden.

Nachdem sie das getrocknete Aerogel mit geringer Dichte erhalten hatten, kombinierten sie es mit Klebstoffen und einem anderen kohlenstoffreichen Material, um einen industriellen „Teig“ herzustellen, den Lim einfach zu nur wenigen Tausendstel Zoll dicken Blättern ausrollen konnte. Sie schnitten Halbzoll-Scheiben aus dem Teig und fügten sie zu einfachen Gehäusen für Knopfzellenbatterien zusammen, um die Wirksamkeit des Materials als Superkondensator-Elektrode zu testen.

Ihre Elektroden waren nicht nur schnell, einfach und leicht zu synthetisieren, sie hatten auch eine um mindestens 127 Prozent größere Kapazität als das kohlenstoffreiche Aerogel allein.

Lim und Crane erwarten, dass Aerogele, die mit noch dünneren Schichten aus Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid beladen sind – ihre waren etwa 10 bis 100 Atome dick – eine noch bessere Leistung zeigen würden. Doch zunächst wollten sie zeigen, dass sich beladene Aerogele schneller und kostengünstiger synthetisieren ließen, ein notwendiger Schritt für die industrielle Produktion. Als nächstes kommt die Feinabstimmung.

Das Team glaubt, dass diese Bemühungen dazu beitragen können, die Wissenschaft auch außerhalb des Bereichs der Superkondensatorelektroden voranzubringen. Ihr in Aerogelen suspendiertes Molybdändisulfid könnte ausreichend stabil bleiben, um die Wasserstoffproduktion zu katalysieren. Und ihre Methode, Materialien schnell in Aerogelen einzufangen, könnte auf Batterien mit hoher Kapazität oder in der Katalyse angewendet werden.