Ein Beispiel dafür, wie ein EDOT-Monomer mit Dampf reagiert und eine PEDOT-Nanofaser bildet. (Bild: Maher El-Kady und Musibau Jimoh)
In Kürze: Plastik-Superkondensatoren könnten Energiespeicherprobleme lösen
Chemiker der University of California (UCLA) haben eine neue Art von strukturiertem, pelzartigem PEDOT-Film mit einer größeren Oberfläche zur Ladungsspeicherung entwickelt und damit einen Superkondensator gebaut, der fast zehnmal mehr Ladung speichert als herkömmliches PEDOT und fast 100.000 Ladezyklen übersteht. PEDOT ist ein Kunststoff, der häufig internen Komponenten elektronischer Geräte vor statischer Elektrizität schützt und in organischen Solarzellen und elektrochromen Geräten zum Einsatz kommt. Prinzipiell kann PEDOT aber auch der Elektrizität leiten und elektrische Ladung ähnlich wie eine Batterie speichern. Der Fortschritt könnte zu Superkondensatoren führen, die einen Teil der Energiespeicheranforderungen erfüllen können, wenn die Welt noch mehr auf erneuerbare, nachhaltige Energieerzeugung umstellt.
Kunststoffe wurden jahrzehntelang vor allem wegen ihrer Isolationseigenschaften in der Elektronik eingesetzt. Doch in den 1970er Jahren entdeckten Wissenschaftler zufällig, dass einige Kunststoffe auch Strom leiten können. Diese Entdeckung öffnete die Tür für Kunststoffe zu Anwendungen in der Elektronik und der Energiespeicherung. Einer der heute am häufigsten verwendeten elektrisch leitenden Kunststoffe ist PEDOT, kurz für Poly(3,4-ethylendioxythiophen). PEDOT ist eine flexible, transparente Folie, die häufig auf die Oberflächen von Fotofilmen und elektronischen Bauteilen aufgebracht wird, um sie vor statischer Elektrizität zu schützen. Sie findet sich auch in Touchscreens, organischen Solarzellen und elektrochromen Geräten, wie intelligenten Fenstern, die auf Knopfdruck von hell auf dunkel schalten. Das Potenzial von PEDOT für die Energiespeicherung ist jedoch begrenzt, da den handelsüblichen PEDOT-Materialien die elektrische Leitfähigkeit und Oberfläche fehlt, die für die Speicherung großer Energiemengen erforderlich sind. Das hinderte schwedische Forscher nicht daran, mit Hilfe von PEDOT einen Transistor aus Holz zu bauen, doch das ist eine andere Geschichte.
Wie haben die Forscher die elektrische Leitfähigkeit und Ladungsspeicherung von PEDOT gesteigert?
Die UCLA-Chemiker wollten das Problem der schlechten Energiespeichereigenschaften von PEDOT mit einer innovativen Methode lösen, um die Morphologie von PEDOT zu kontrollieren und Nanofasern präzise zu züchten. Diese Nanofasern weisen eine außergewöhnliche Leitfähigkeit und eine vergrößerte Oberfläche auf, was beides die Energiespeicherkapazität von PEDOT entscheidend verbessert. Dieser Ansatz, der in einer in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Arbeit beschrieben wird, zeigt das Potenzial von PEDOT-Nanofasern für Superkondensatoranwendungen.
Kurz erklärt: Was sind Superkondensatoren?
Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch langsame chemische Reaktionen speichern, speichern und geben Superkondensatoren Energie ab, indem sie elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche ansammeln. Dadurch können sie extrem schnell geladen und entladen werden, was sie ideal für Anwendungen macht, die schnelle Stromstöße benötigen, wie regenerative Bremssysteme in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und Kamerablitze. Bessere Superkondensatoren sind daher ein Weg zu einer geringeren Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
Die Herausforderung bei Superkondensatoren besteht darin, Materialien mit ausreichender Oberfläche zu schaffen, um große Energiemengen zu speichern. Herkömmliche PEDOT-Materialien sind in dieser Hinsicht jedoch unzureichend, was ihre Leistung einschränkt.
Die UCLA-Chemiker stellten das neue Material durch ein einzigartiges Dampfphasen-Wachstumsverfahren her, um vertikale PEDOT-Nanofasern zu erzeugen. Diese Nanofasern, die an dichtes, nach oben wachsendes Gras erinnern, vergrößern die Oberfläche des Materials drastisch, so dass es mehr Energie speichern kann. Durch Zugabe eines Flüssigkeitstropfens, der Graphenoxid-Nanoflocken und Eisenchlorid enthält, auf eine Graphitplatte setzten die Forscher diese Probe einem Dampf der Vorläufermoleküle aus, die schließlich das PEDOT-Polymer bildeten. Anstatt sich zu einem sehr dünnen, flachen Film zu entwickeln, wuchs das Polymer zu einer dicken, pelzartigen Struktur heran, was die Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichen PEDOT-Materialien erheblich vergrößerte.
„Das einzigartige vertikale Wachstum des Materials ermöglicht es uns, PEDOT-Elektroden zu schaffen, die viel mehr Energie speichern als herkömmliches PEDOT“, sagt der korrespondierende Autor und UCLA-Materialwissenschaftler Maher El-Kady. „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 damit seine Kapazität so weit erhöht, dass wir einen Superkondensator bauen konnten.“
Was kann der neue Superkondensator aus PEDOT?
Die Autoren verwendeten diese PEDOT-Strukturen zur Herstellung von Superkondensatoren mit hervorragender Ladungsspeicherkapazität und einer Zyklenstabilität, die fast 100.000 Zyklen erreicht. Dieser Fortschritt könnte den Weg für effizientere Energiespeichersysteme ebnen, die direkt auf die globalen Herausforderungen im Bereich der erneuerbaren Energien und der Nachhaltigkeit eingehen.
„Ein Polymer ist im Wesentlichen eine lange Kette von Molekülen, die aus kürzeren Blöcken, den sogenannten Monomeren, aufgebaut ist“, so El-Kady. „Man kann es sich wie eine Kette vorstellen, die aus einzelnen Perlen besteht, 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-Nanoflocken in Kontakt kommen. Diese Reaktion bewirkt, dass sich die Monomere verbinden und vertikale Nanofasern bilden. Diese Nanofasern haben eine viel größere Oberfläche, was bedeutet, dass sie viel mehr Energie speichern können.
Das neue PEDOT-Material hat beeindruckende Ergebnisse gezeigt und die Erwartungen in mehreren kritischen Bereichen übertroffen. So ist seine Leitfähigkeit 100-mal höher als die von kommerziellen PEDOT-Produkten, was es für die Ladungsspeicherung wesentlich effizienter macht. Noch bemerkenswerter ist, dass die elektrochemisch aktive Oberfläche dieser PEDOT-Nanofasern viermal größer ist als die von herkömmlichem PEDOT. Diese vergrößerte Oberfläche ist von entscheidender Bedeutung, da sie es ermöglicht, viel mehr Energie im gleichen Volumen des Materials zu speichern, was die Leistung von Superkondensatoren erheblich steigert.
Dank des neuen Verfahrens verfügt dieses Material nun über eine der höchsten Ladungsspeicherkapazitäten für PEDOT, über die bisher berichtet wurde - mehr als 4600 MilliFarad pro Quadratzentimeter, was fast eine Größenordnung mehr ist als bei herkömmlichem PEDOT. Diese Fortschritte öffnen die Tür für Superkondensatoren, die nicht nur schneller und effizienter sind, sondern auch eine längere Lebensdauer haben – Eigenschaften, die für die Branche der erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung sind.
„Die außergewöhnliche Leistung und Langlebigkeit unserer Elektroden zeigt ein großes Potenzial für die Verwendung von Graphen-PEDOT in Superkondensatoren, die unserer Gesellschaft helfen können, den Energiebedarf zu decken“, sagte der korrespondierende Autor Richard Kaner, Professor für Chemie und Materialwissenschaft und -technik an der UCLA.
Der Autor: Dr. Martin Large
Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.