MXene: „Erdige“ Akkus aus dem 3D-Drucker

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Lithium-Ionen-Akkus versorgen mittlerweile beinahe alle „Stromfresser“ weltweit. Allerdings längst nicht mehr zu aller Befriedigung. Deshalb könnten Speicher mit anderen, zum Teil exotischen Materialien zumindest in Teilbereichen den Platzhirschen schon bald Konkurrenz machen.

Ob Elektromobilität, Energiewende oder elektronische Gerätschaften – ohne Strom geht nichts. Und der muss irgendwie, irgendwo gespeichert werden. Lithium-Ionen-Akkus sind dabei zwar immer noch das Mittel der Wahl, stellen aber zunehmend einen limitierenden Faktor dar. Denn längere Laufzeiten, größere Reichweiten, kürzere Ladevorgängen oder kleinere Formfaktoren lassen sich mit der dreißig Jahre alten Technologie nur schwer realisieren. Deshalb suchen weltweit Forscher intensiv nach Akku-Materialien, die diese Vorgaben erfüllen.

Dabei fehlt es an „Wunderstoffen“ eigentlich nicht. So gilt etwa Graphen schon seit längerem als Allzweckwaffe für neue Technologien. Für andere ist Silizium zumindest theoretisch das beste Elektrodenmaterial. Es speichert bis zu zehnmal mehr Energie, als Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien und ist als zweithäufigstes Element der Erde unbegrenzt verfügbar. Leider nimmt es aber auch besonders viele Lithium-Ionen auf und dehnt sich deswegen um einige Hundert Prozent aus. Ein Problem, das noch nicht gelöst ist.

MXene als Turbolader

MXene
MXene besteht aus unzähligen, gestapelten Titan-Karbid-Plättchen. (Bild: Drexel University).

Einem „jungen“ Material haben sich dagegen die Forscher der Drexel Universität verschrieben. Sie entwickeln seit Jahren Batterieelektroden auf Basis des hoch leitenden „MXene“. Übrigens auch in Verbindung mit Silizium, das damit einen Teil seiner „Ausbreitungsgelüste“ einbüßt.

Das wenigen Atomschichten dünne Nanomaterial ähnelt von der Konstruktion her einem Sandwich. Die „Füllung“ aus leitfähigem Kohlenstoff und Metall wird von zwei Oxid-Schichten eingeschlossen. Durch dieses Design dringen Ionen besonders schnell durch die Elektrode.

Den Wissenschaftlern zufolge würde das exotische Material auch beweisen, dass die chemische Ladungsspeicherung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus nicht unbedingt viel langsamer sein muss, als die physikalische in einem elektrischen Feld mit Superkondensatoren (Ultrakondensatoren, Supercaps). Diese sind mit ihrer hohen Leistungsdichte bislang gute Verbündete von Lithium-Ionen-Batterien und anderen Speichertechnologien mit hoher Energiedichte. In elektrischen Autos sorgen Ultrakondensatoren zum Beispiel für die Beschleunigung, während Batterien für Ausdauer auf der Strecke sorgen.

MXene im 3D-DRUCK

Solche Hochleistungs-Kondensatoren kommen allerdings – geht es nach den Drexel-Forschern- künftig aus dem 3D-Drucker. Zusammen mit Kollegen des Trinity Colleges haben sie dafür eine Tinte auf Basis eines des MXene–Materials entwickelt, die auf fast jedem Untergrund haftet.

Der Druck von Kondensatoren ist zwar nicht neu, glänzte aber bislang nicht mit besonders hohen Speicherkapazitäten. Die neuen Mikro-Super-Caps aus einem speziellen 3D-Drucker sind da um eine Größenordnung leistungsfähiger. Außerdem ist die MXene-Tinte leichter zu verarbeiten.

In anderen Labors experimentieren Wissenschaftler für ihre Tinten dagegen mit Nanopartikeln aus Silber, Graphen oder Gallium. Scheitern dabei jedoch meist an praktikablen, einstufigen Herstellungsprozessen. Denn diese Nanotinten benötigen Zusätze, um die Partikel zusammenhalten, die nach dem Druck in einem zweiten Prozessschritt wieder entfernt werden müssen. MXene löst sich dagegen einfach in Wasser oder einer organischen Flüssigkeit auf, die nach dem Druck von selbst trocknen.

Die Forscher haben damit bereits dünne Folien für Superkondensatoren und durchsichtige Antennen für Autoscheiben gedruckt. In Zukunft soll die Tinte von jedem Drucker verarbeitet werden können, und jedermann kann damit elektronische Geräte herstellen.

 

 

 

 

MXene (Bild: Drexel University)

Mit einem lehmähnlichen Material wollen Forscher bessere Batterien und Superkondensatoren entwickeln. (Bild: Drexel University).