Materialforschung: MXene soll Herstellung von Elektroden vereinfachen

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materialforschung-mxene-elektrodenMit einem neuartigen Material möchte Professor Michael Barsoum leistungsfähige Elektroden für Batterien und Kondensatoren herstellen. Zuvor hatten US-Forscher zufällig dieses Material entdeckt, welches eine lehmartige Konsistenz besitzt und sich für eine leichte und schnelle Herstellung von Elektroden eignet. 

Ein lehmähnliches Material für Elektroden

Professor Michael Barsoum möchte der Speichertechnologie auf die Sprünge helfen. Mit einem sogenannten lehmähnlichen Material, welches aus einer unzähligen Anzahl Titan-Karbid-Plättchen besteht, sollen Elektroden für Batterien und Superkondensatoren gebaut werden. Die Titan-Karbid-Plättchen sind wie Spielkarten übereinandergestapelt. Diese Plättchen sind nur so dünn wie ein Molekül. Vergleichbar ist der Stoff mit einem Graphen, der jedoch noch etwas dünner ist und aus reinen Kohlenstoffatomen besteht.

Ein Speziallehm mit Namen MXene

Die überragenden Eigenschaften des Speziallehms MXene kann ohne weiteres mit Graphen mithalten. Das Material ist wie Metall leitfähig, ist gegen hohe Temperaturen wie Keramik resistent und lässt sich mit Wasservermengung zu einem Plätzchenteig ausrollen. Durch den schichtweisen Aufbau besitzt MXene eine große Oberfläche und ist somit ideal für Hochleistungsbatterien oder schnell aufladbare Supercaps geeignet. Hochwertige Kondensatoren, die überaus viel Energie speichern können werden als Supercaps bezeichnet und finden bereits als neuer Ansatz für die Elektromobilität eine Anwendung.

MXene ist besser als Graphen

Barsoum teilte mit, dass sich die Wassermoleküle zwischen die einzelnen Titankarbidplättchen schieben, wenn sie angefeuchtet werden. Aus diesem Grund ist MXene in jede beliebige Form zu bringen. Es lässt sich wesentlich leichter verarbeiten als Graphen, die in ähnlicher Weise als Elektrode verwendet werden. Diese weisen jedoch Wasser ab. MXene benötigt für die Formgebung noch nicht einmal ein Bindemittel. MXene gehört zur Stoffgruppe mit Namen MAX. Das M steht für Metall, das A für die Elemente der A-Gruppe in einem Periodensystem und das X steht für Kohlen- und Stickstoff. Schon vor einem Vierteljahrhundert hat Barsoum diesen Stoff per Zufall entdeckt. Nun arbeitet er als Materialforscher daran, MXene auch technisch einzusetzen.

Die Entstehung von MXene

Ursprünglich experimentierten die Wissenschaftler Barsoum und Ghidiu ausschließlich mit MAX-Materialien. Um aus MAX MXene zu erhalten, muss hieraus Aluminium heraus geätzt werden. Zunächst geschah dies mit aggressiver Flusssäure. Ghidiu konnte diesen Stoff durch Salzsäure und Fluoride ersetzen. Um eine Reaktion zu unterbrechen, wurde das Material mit Wasser abgespült. Beide Wissenschaftler staunten, als sich MAX mit Wasser vollsaugte. So wurde hieraus der neue Stoff MXene. Bisher dauerte es noch wenigstens einen Tag, um aus dem ursprünglichen MAX eine Elektrode zu fertigen. Ghidiu teilte mit, dass mit MXene eine Elektrode innerhalb von 15 Minuten hergestellt werden könne. Interessant ist auch, dass das Material in der Lage ist, eine dreimal so hohe Energie selbst abzuspeichern.

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Ideale Voraussetzungen für ein schnelles Laden und Entladen

Zurzeit konnten beide Forscher eine Kapazität von rund 900 Farad pro Kubikzentimeter ermitteln. Dieser Wert ist mehr als es andere Werkstoffe in diesem Bereich schaffen, teilte Maria Lukatskaya mit, die ebenfalls Doktorandin bei Barsoum ist. Selbst nach 10.000 Lade- und Entladevorgängen konnte keine Veränderung in der Kapazität festgestellt werden. Das Laden und Entladen gelingt innerhalb weniger Sekunden. Nun wollen die Wissenschaftler versuchen, MXene industrietauglich zu machen. Elektroden und Supercaps sollen in Kürze am Fließband hergestellt werden können. Man darf gespannt sein, wie sich dieser Stoff und dessen Anwendung noch weiterentwickeln wird.

US-Forscher haben kürzlich mitgeteilt, dass sie sich bei der Entwicklung neuer Batterie-Elektroden vom Naturprodukt Granatapfel inspirieren lassen. Wegen dieser ähnlichen Innenstruktur können moderne Akkus das Zehnfache an Energie speichern.

Mittlerweile wurde auch bekannt, dass sich Powercpas auf Zellulose-Basis in der Entwicklung befinden, was zu einer deutlichen Gewichtsreduktion führen kann.

Bildquelle: © TiM Caspary / pixelio – www.pixelio.de

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