Superdehnbarer, superkomprimierbarer Superkondensator

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Ein neuer flexibler Supercap ist für „tragbare“ Anwendungen wie gemacht. Er lässt sich auf mehr als das Zehnfache seiner Länge strecken und gewinnt dabei noch an Kapazität.

Elastische Elektroniksysteme benötigen eine ebenso flexible Stromquelle. Chinesische Wissenschaftler haben dafür ein Polyelektrolytmaterial für einen außerordentlich dehnbaren und komprimierbaren Superkondensator entwickelt. Ausgestattet mit Papierelektroden aus einem Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial, kann er auf mehr als das Zehnfache seiner Länge gestreckt und bis auf die Hälfte seiner Dicke komprimiert werden. Dabei gewinnt er noch an Kapazität.

Superkondensatoren füllen die Lücke zwischen (wiederaufladbaren) Batterien und normalen Kondensatoren aus. Während Batterien vor allem als Energiequelle genutzt werden, dienen Kondensatoren zur raschen Ladung und Entladung.

Superkondensatoren für flexible Elektronik. (Bild: City University of Hong Kong).
Streck- und komprimierbare Superkondensatoren für flexible Elektronik. (Bild: City University of Hong Kong).

Superkondensatoren besitzen dagegen zusätzlich zu einer großen Lade- und Entladekapazität eine hohe Energie- und Leistungsdichte. Sie werden zum Beispiel bei der Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) in elektrischen Fahrzeugen, als Speicherpuffer in Windrädern und immer häufiger auch in elektronischen Kleingeräten wie Laptops oder Digitalkameras eingesetzt.

Um sie für Zukunftsthemen wie intelligente Kleidung oder elektronisches Papier fit zu machen, muten Wissenschaftler der City University of Hong Kong ihnen immer höhere mechanische Beanspruchungen zu. Das funktioniert etwa durch einen Polyelektrolyten, der sich auf das Zehnfache seiner Länge dehnen und auf die Hälfte seiner Dicke zusammenpressen lässt. Und das ohne strukturelle Veränderungen.

Superkondensator als dehnbare Energiequelle

Häufig dient ein Gel aus Polyvinylalkohol als Elektrolyt in Superkondensatoren. Eine gewisse Biegsamkeit oder Dehnbarkeit erreicht man durch elastische Zusatzstoffe wie Kautschuk oder bestimmte Fasern. Der „chinesische“ Elektrolyt ist aber anders aufgebaut: Vinyl-funktionalisierte Nanopartikeln aus Siliciumdioxid (VSPNs) verstärken ein Polyacrylamid(PAM)-Hydrogel. Die Vinyl-Siliciumdioxid-Nanopartikel vernetzen die polymeren Komponenten im Gel und machen es stark dehnbar. Der Polyelektrolyt nimmt dagegen Wasser sowie Ionen auf und sorgt somit für die Leitfähigkeit. Der VSNP-Quervernetzer dient als Puffer, um die Spannungsenergie abzuleiten und das PAM-Netzwerk zu homogenisieren. Durch diese Synergie erreicht der Superkondensator eine enorme intrinsische Dehnbarkeit und Komprimierbarkeit.

Einen funktionsfähigen Superkondensator bauten die Forscher durch Auflegen von zwei identischen Papierelektroden aus einem Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial auf jede Seite des maximal gedehnten Polyelektrolytfilms. Lässt die Spannung nach, entsteht eine ziehharmonikaartige Struktur mit überraschender Elektrochemie: Die elektrochemische Leistung steigt an, wenn der Spannungsstress größer wird. Und der Spannungsstress war gewaltig: Bis zu einer Dehnung auf 1000 Prozent und einer Kompression auf die Hälfte seiner Dicke überstand der Superkondensator unbeschadet. Und das bei gleicher oder sogar höherer Kapazität. Für künftige Entwicklungen von in Stoffen und Papier integrierter Elektronik dürfte daher dieser Polyelektrolyt höchst interessant sein.

 

 

Superkondensator (Bild: pixabay/Bilderjet)

Neue Superkondensatoren lassen sich bis auf das Zehnfache ihrer Länge strecken. (Bild: pixabay/Bilderjet).