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Extrem poröses Material eignet sich für leichte und flexible Superkondensatoren – Unterstützung herkömmlicher Akkus in Elektroautos dank hoher Leistungsdichten möglich
Superkondensatoren können gespeicherten Strom sehr schnell abgeben und wieder aufgeladen werden. Dabei können sie in kürzester Zeit mehr Leistung bereitstellen als Batterien und sind daher für kurze Beschleunigungsphasen von Elektroautos interessant. Um möglichst leichte Superkondensatoren herzustellen, nutzten nun kanadische Wissenschaftler einen extrem porösen Schaum aus nanostrukturierter Zellulose. Wie sie in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ berichten, kann diese federleichte Material nachhaltig aus Holz oder Strohabfällen gewonnen werden.
„Zellulose, ein nachwachsender Rohstoff, ist ein Schritt hin zu grünen, aber dennoch hoch entwickelten technischen Anwendungen“, sagt Emily Cranston von der McMaster University in Hamilton in der Nähe von Toronto. Zusammen mit ihren Kollegen nutzte die Chemieingenieurin ein nanostrukturiertes Zellulose-Material, das wegen seines extrem porösen Aufbaus nur gut fünf Milligramm pro Kubikzentimeter wiegt. Diese winzigen Zellulose-Nanokristalle mischten sie in einer wässrigen Flüssigkeit mit elektrisch leitfähigen Substanzen aus Polypyrrol-Fasern, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Nanoteilchen aus Mangandioxid. Dank zahlreicher Wasserstoffbrückenbindungen verknüpften sich diese winzigen Partikel mit der Zellulose.
Diese Mischung ließen die Forscher bei minus vier Grad gefrieren, um die Porösität über wachsende Eiskristalle weiter zu erhöhen. Nach einer Gefriertrockung entstand ein elektrisch leitfähiger und extrem leichter Schaum, der mühelos auf einer Daunenfeder balanciert werden konnte. Um dieses auch Aerogel genannte Material auf seine Eignung für Superkondensatoren mit möglichst hoher Ladedichte zu überprüfen, pressten Cranston und Kollegen jeweils zwei kleine Schaumblöcke, voneinander durch eine Membran getrennt, in eine münzgroße Knopfzelle. Diese konnten innerhalb von Sekunden relativ viel elektrische Ladung von bis zu 2,5 Coulomb pro Gramm aufnehmen und wieder abgeben. Besonders der Zelluloseschaum mit Manganoxid-Nanopartikeln zeichnete sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit aus und büßte nach 2000 Ladezyklen nur wenige Prozent seiner Speicherkapazität ein.
Leichte Superkondensatoren mit hoher Ladedichte werden auch aus metallischen Schäumen, etwa aus Nickel, hergestellt. Doch Zellulose-Schäume könnten nach diesen ersten Ergebnissen noch leichtere Kurzzeitstromspeicher ermöglichen. Zudem lässt sich der flexible Schaum in beliebige Formen pressen, um Superkondensaotren elegant in ein Elektromobil integrieren zu können. Dieser Ansatz könnte auch für deutsche Forscher vom Batterieforschungszentrum der Universität Münster interessant sein, die – unterstützt mit Mitteln der Bundesregierung – ebenfalls an Superkondensatoren arbeiten. Ein Ziel ist es dabei, eine hohe Energiedichte von bis zu zehn Wattstunden pro Kilogramm bei gleichzeitig hoher Zyklenfestigkeit zu erreichen.
