Rost ist das Basismaterial für neue Mikrosuperkondensatoren, die US-Forscher entwickelt haben. Sie sind außerordentlich leitfähig und weisen unter Polymer-basierten Mikrosuperkondensatoren die höchste Energiedichte auf. Möglich macht es ein neues Herstellungsverfahren, für das sich Rost sehr gut eignet.

Superkondensatoren aus dem Reinraum

Die neuen Superkondensatoren wurden von Forschern der Washington University entwickelt, die darüber im Fachmagazin Advanced Functional Materials berichten. Das Team um Chemiker Julio M. D’Arcy kombinierte konventionelle Mikrofabrikationstechniken mit modernster Polymerisation. Der Schlüssel dazu waren Reinraumtechnologien. „In einem Reinraum verarbeitet man normalerweise Materialien, die in Computern verbaut werden, zum Beispiel Halbleiter“, erklärte D’Arcy. Reinräume sind so konstruiert, dass sich so gut wie kein Staub oder andere Fremdstoffe in der Luft befinden.

„Im Reinraum hier auf dem Campus gibt es eine Menge richtig cooler Geräte, darunter eines, mit dem man eine dünne Schicht Material auf eine Oberfläche aufbringen kann. Damit haben wir Fe2O3-Schichten bis 20 Nanometer aufgetragen – sehr dünne Metalloxid-Schichten –, was anders nicht möglich gewesen wäre.“

Rost als stabiles und günstiges Material

Fe2O3 oder Eisen(III)-oxid ist nichts anderes als Rost, doch für D’Arcy und sein Team ist dieses alltägliche Material eine ideale und günstige Ausgangsbasis für die chemische Synthese. „Wenn der Rost einmal aufgetragen ist, ist er sehr stabil und kaum reaktiv. Er kann problemlos der Umgebungsluft ausgesetzt werden, deshalb können wir damit aus dem Reinraum zurück ins Chemie-Labor zu unserem Abzug laufen. Dort nutzen wir die Metalloxid-Schicht als Reaktionspartner in der chemischen Synthese“, erklärt der Chemiker.

Einfachen Rost in hochmoderne Polymer-basierte Mikrosuperkondensatoren zu verwandeln, stellte sich dann als überraschend einfach heraus. „Der einfachste Weg, um Rost von einer Oberfläche zu lösen, ist etwas Säure zu verwenden. Daraus besteht der Rostentferner aus dem Baumarkt. Unsere Umwandlung funktioniert genauso – wir fügen Säure hinzu und verändern das Eisenoxid, indem wir ein Eisenatom freisetzen. Dieses Eisenatom ist der Reaktionspartner für unseren Polymerdampf. Diesen Prozess nennt man rost-gestützte Dampfphasenpolymerisation“, sagte D’Arcy.

Umwandlung in Nanofasern

„Das Spannende an unserer Methode ist, dass das Ergebnis unserer chemischen Reaktion einzigartig ist. Es ist ein Prozess der Selbstassemblierung“, erklärt der Chemiker. „Wir stellen Nanostrukturen eines Polymers her, im Prinzip einen dünnen Film oder Teppich aus Nanopolymerbürsten. Das weiche, halbleitende, organische Material haftet sich an die Oberfläche dort an, wo Rost war. Das ist eine direkte Umwandlung des Films, den wir im Reinraum aufgetragen haben, zu einem Nanofaser-Material. Niemand auf diesem Gebiet hat es bisher geschafft, Nanostrukturen ohne Schablone in diesem Maßstab herzustellen. Wir machen das direkt, wir haben eine Synthese entwickelt, die zur Selbstassemblierung führt.“

Die Methode im Reinraum ermöglichte es dem Team, in sehr kleinem Maßstab zu arbeiten: „Es ist an kleineren Elektroden sehr viel einfacher, chemische Eigenschaften zu steuern. Und die Ergebnisse in diesem Fall waren hervorragend, würde ich sagen. Im Mikromaßstab zu arbeiten, erweist sich in vielen Fällen als ideale Lösung“, so D’Arcy. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren passiert das Ganze außerdem in nur einem Arbeitsschritt statt in vielen.

Das Projekt konnte sich 50.000 US-Dollar Finanzierung aus dem Programm „Leadership and Entrepreneurial Acceleration“ sichern. Es unterstützt die Kommerzialisierung dieser Herstellungsmethode für Mikrosuperkondensatoren. Das Team um D’Arcy hat schon eine Vielzahl von Patenten eingereicht und wird jetzt daran arbeiten, die Energiedichte zu verbessern und dabei die hohe Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität zu erhalten. Das Ziel sind Mikro-Superkondensatoren, die mit Batterien mithalten können.

Superkondensatoren für Sensoren und Wearables

Die Forscher gehen davon aus, dass die Technologie künftig in Kleinstgeräten wie biomedizinischen Sensoren und sogenannten Wearables eingesetzt wird, also kleinen Computersystemen, die am Körper getragen oder in die Kleidung integriert werden. Dort ist der Bedarf an Batteriealternativen groß. Denn Batterien haben zwar höhere Energiedichten als Superkondensatoren und können Energie länger speichern. Doch Superkondensatoren sind Batterien in punkto Leistung überlegen, sie geben Energie sehr viel schneller wieder ab. Anwendungen wie Sensoren, RFID-Tags oder Mikroroboter sind auf solche Hochleistungs-Energiespeicher im Miniaturformat angewiesen.

Quellen / Weiterlesen
Turning rust into supercapacitors | Washington University in St. Louis
Direct Conversion of Fe2O3 to 3D Nanofibrillar PEDOT Microsupercapacitors | Wiley Online Library
Superkondensatoren aus Rost | Solarify
Bildquelle: Wikipedia – Mathieu BOIS, CC BY-SA 3.0

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1 KOMMENTAR

  1. „50.000 US-Dollar Finanzierung“, das sind doch absolut Peanuts im Vergleich zu all den Millionen, die in das Grab Wasserstoff-Auto schon versenkt wurden.

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