Ersetzt Kunststoff die Lithium-Ionen-Batterie?

Kunststoffe sind in allen Bereichen zu finden und Plastikmüll zeigt vor allem aufgrund der Umweltverschmutzung seine schlechteste Seite. Die Ozeane sind verschmutzt und übersäht mit Plastikabfällen, an denen die Tierwelt stirbt. Jedoch können einige Kunststoffe für eine nachhaltige Zukunft eine wichtige Rolle haben. Innovative Kunststoffe können Energiespeicher verändern, weil sie Strom besser leiten und speichern. Einer dieser Polymere, der sich in vielen elektronischen Anwendungen befindet, ist PEDOT. Der Stoffe befindet sich in Touchscreens, organischen Solarzellen und elektrochromen Fenstern. Die Bezeichnung steht für Poly(3,4-ethylendioxythiophen).

PEDOT leitet und speichert Strom besser

Allerdings war der Nutzen von PEDOT als Energiespeicher bisher begrenzt. Kommerziell erhältliches PEDOT hat weder die notwendige Leitfähigkeit noch eine ausreichend große Oberfläche, um große Energiemengen speichern zu können. Das könnte sich jedoch bald ändern, denn Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) haben nun eine Methode entdeckt, das Problem lösen.

Dabei muss man die Morphologie von PEDOT präzise steuern und Nanofasern züchten, wodurch die Energiespeicherkapazität des Kunststoffs verbessert wird. Die hauchdünnen Fasern weisen eine außergewöhnliche Leitfähigkeit sowie eine stark vergrößerte Oberfläche auf. Durch diese Herangehensweise könnte das Material Superkondensatoren leistungsfähiger machen, die blitzschnell große Energiemengen aufnehmen und abgeben können. Maher El-Kady, Materialwissenschaftler an der UCLA eklärt:

„Das einzigartige vertikale Wachstum des Materials ermöglicht es uns, PEDOT-Elektroden herzustellen, die weitaus mehr Energie speichern als herkömmliches PEDOT. Elektrische Ladung wird auf der Oberfläche des Materials gespeichert, und herkömmliche PEDOT-Filme haben nicht genug Oberfläche, um sehr viel Ladung zu speichern. Wir haben die Oberfläche von PEDOT vergrößert und dadurch seine Kapazität so weit erhöht, dass ein Superkondensator gebaut werden kann.“

Fellartige Nanofasern durch Dampfphasenwachstum mit Graphenoxid

Die Herstellung dieser vielversprechenden Nanofasern gelang Forschern mithilfe eines speziellen Dampfphasen-Wachstumsprozesses. Zunächst wurde ein Tropfen einer Flüssigkeit, die Graphenoxid-Nanoplättchen und Eisenchlorid enthielt, auf eine Graphitplatte aufgebracht. Anschließend wurde diese Probe einem Dampf aus Monomeren ausgesetzt, den Bausteinen des PEDOT-Polymers. Anstatt sich zu einem dünnen, flachen Film zusammenzufügen, wuchsen die Monomere zu einer dicken, fellartigen Struktur heran. Dadurch vergrößerte sich die Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichem PEDOT erheblich.

Ein Polymer ist eine lange Kette von Molekülen, die aus kürzeren Blöcken, den sogenannten Monomeren, aufgebaut ist. Man kann es sich wie eine Kette aus einzelnen Perlen vorstellen. Die flüssige Form der Monomere wird in einer Kammer erhitzt. Wenn die Dämpfe aufsteigen, reagieren sie chemisch mit der Oberfläche der Graphen-Nanoplättchen. Durch diese Reaktion verbinden sich die Monomere und bilden vertikale Nanofasern. Diese Nanofasern besitzen eine viel größere Oberfläche, wodurch sie mehr Energie speichern können.

PEDOT-Material weist 100-mal höhere Leitfähigkeit auf

Die Ergebnisse der Forschungen seien bahnbrechend, berichtet die UCLA. Das innovative PEDOT-Material habe eine 100-mal höhere Leitfähigkeit als die von kommerziellen. Zudem sei auch die elektrochemisch aktive Oberfläche viermal größer als die von herkömmlichem PEDOT. Aufgrund der dicken Schicht Nanofasern auf der Graphenschicht besitzt das Material nun eine der höchsten Ladungsspeicherkapazitäten von 4.600 Millifarad pro Quadratzentimeter für PEDOT, die bisher bekannt sind. Darüber hinaus ist das Material sehr langlebig und hält mehr als 70.000 Ladezyklen stand. Richard Kaner, Professor für Chemie und Materialwissenschaften an der UCLA betont zudem:

„Die außergewöhnliche Leistung und Haltbarkeit unserer Elektroden zeigt ein großes Potenzial für die Verwendung von Graphen-PEDOT in Superkondensatoren, die unserer Gesellschaft helfen können, ihren Energiebedarf zu decken.“

Ein weiterer Schritt in Richtung effizientere Stromspeicherung

Anders als Batterien geben Superkondensatoren Energie durch die Ansammlung elektrischer Ladung auf ihrer Oberfläche ab. Deswegen können Superkondensatoren sehr schnell geladen und entladen werden, was sie wiederum ideal für Anwendungen macht, die schnell Stromstöße benötigen. Dies können zum Beispiel regenerative Bremssysteme in Elektrofahrzeugen oder Kamerablitzen sein. Demgegenüber speichern herkömmliche Batterien Energie durch langsame chemische Reaktionen.

Die Ergebnisse der UCLA-Forscher ist wichtig, um die Kommerzialisierung von Superkondensatoren voranzutreiben. Sie laden nicht nur schneller, sondern sind auch langlebiger. Sie gelten als Schlüsselfaktor für die Energiewende und eine nachhaltige Zukunft.

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