Hochelastische Superkondensatoren

Elastische Elektroniksysteme benötigen eine ebenso elastische Strom­quelle. Wissen­schaftler aus China stellen jetzt ein Poly­elektro­lyt­material für einen außer­ordent­lich dehn­baren und kompri­mier­baren Super­konden­sator vor. Ausge­stattet mit Papier­elek­troden aus einem Kohlen­stoff­nano­röhren-Verbund­material kann dieser Super­konden­sator auf das mehr als 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 Energie­speicher und -quelle genutzt werden, dienen Konden­sa­toren zur raschen Ladung und Ent­ladung, können aber nicht viel Energie speichern. Super­konden­satoren besitzen zusätz­lich zu einer großen Lade- und Ent­lade­kapa­zität eine überaus hohe Energie- und Leistungs­dichte. Sie werden zum Beispiel bei der Rekupe­ra­tion in elek­trischen Fahr­zeugen oder als Speicher­puffer in Wind­rädern, sowie in elek­tro­nischen Klein­geräten wie Lap­tops oder Digital­kameras ver­wendet. Um sie für Zukunfts­themen wie intel­li­gente Kleidung oder elek­tro­nisches Papier fit zu machen, arbeiten Chunyi Zhi von der City Univer­sity of Hong Kong und Kollegen an immer stärker mecha­nisch bean­spruch­baren Super­konden­satoren. Dafür haben sie jetzt einen Poly­elek­tro­lyten für Super­konden­satoren ent­wickelt, der sich auf das Zehn­fache seiner Länge dehnen und auf die Hälfte seiner Dicke zusammen­pressen lässt, ohne Spuren von Bean­spru­chung zu zeigen.

Als Elektrolyt in Superkondensatoren wird häufig ein Gel aus Poly­vinyl­alkohol verwendet. Eine gewisse Bieg­sam­keit oder Dehn­bar­keit erreicht man durch elas­tische Zusatz­stoffe wie Kautschuk oder bestimmte Fasern. Der Elek­tro­lyt von Zhi ist anders auf­ge­baut: Ein Poly­acryl­amid-Hydro­gel wird durch Vinyl-funktio­nali­sierte Nano­partikel aus Silicium­dioxid ver­stärkt. Die Vinyl-Silicium­dioxid-Nano­partikel ver­netzen die poly­meren Kompo­nenten im Gel und machen es stark dehn­bar, während der Poly­elek­tro­lyt Wasser und Ionen auf­nimmt und somit für die Leit­fähig­keit sorgt.

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 tausend 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.

W-VCH / RK