Superkondensatoren aus PEDOT

Sogenannte Plastik-Superkondensatoren könnten Energiespeicherprobleme lösen. Forschende der University of California (UCLA) haben eine Methode entwickelt, um die Ladespeicherkapazität von PEDOT um ein 10-faches zu erhöhen. Chemiker entdeckten, dass eine neue Art von strukturiertem, pelzartigem PEDOT-Film mit einer größeren Oberfläche zur Ladespeicherung, ein zehnfaches mehr der Ladung in einem Superkondensator speichern kann. Zudem übersteht er auch fast 100.000 Ladezyklen. Bei PEDOT handelt es sich um einen Kunststoff, der Komponenten elektronischer Geräte vor statischer Elektrizität schützt. Grundsätzlich kann PEDOT aber auch Elektrizität leiten und elektrische Ladung speichern. Ferner verwendet man PEDOT auch in Solarzellen und elektrochromen Geräten.

Was genau ist PEDOT?

Diese neuartige Methode könnte den Weg ebnen für Superkondensatoren, die einen signifikanten Teil der Energiespeicheranforderungen erfüllen könnten, sofern man weltweit noch mehr auf erneuerbare Energieerzeugung setzt. Kunststoffe finden seit jeher Einsatz in der Elektronik und kommen meist aufgrund ihrer Isoliereigenschaft zum Einsatz. Bereits in den 70er Jahren erkannten Forschende, dass einige Kunststoffe Strom leiten können. Somit konnten Kunststoffe sowohl in der Elektronik als auch im Bereich der Energiespeicherung Anwendung finden.

PEDOT ist dabei einer der am häufigsten verwendeten Kunststoffe, der eine elektrisch leitende Eigenschaft hat. PEDOT steht für Poly (3,4-ethylendioxythiophen) und ist eine flexible, transparente Folie, die man häufig auf der Oberfläche von Fotofilmen und elektronischen Bauteilen findet. Zudem wird sie auf organischen Solarzellen und elektrochromen Geräten (z.B. Smart Windows) angebracht. Die Folie soll vor statischer Elektrizität schützen. Mit Sicherheit hat jeder sie bereits mindestens einmal im Leben in der Hand gehalten, denn sie befindet sich häufig auf Touchscreens von Endgeräten.

PEDOT und sein Potenzial für die Energiespeicherung

Obschon PEDOT zum Schutz vor statischer Elektrizität vielfältig zum Einsatz kommt, ist das Potenzial im Bereich der Energiespeicherung begrenzt. Dies liegt daran, weil den handelsüblichen PEDOT-Materialien die elektrische Leitfähigkeit und Oberfläche fehlt, um die Speicherung großer Energiemengen meistern zu können. Jedoch waren UCLA-Chemiker motiviert, das Problem mit der elektrischen Leitfähigkeit und Ladungsspeicherung von PEDOT anzugehen. Eine neue Methode soll die Morphologie von PEDOT kontrollieren und Nanofaser züchten, die wiederum eine hervorragende Leitfähigkeit und vergrößerte Oberfläche aufweisen. Beide Faktoren steigern die Energiespeicherkapazität von PEDOT entscheidend.

Warum ist PEDOT für Superkondensatoren so wichtig?

Superkondensatoren funktionieren anders als herkömmliche Batterien, denn diese speichern Energie durch langsame chemische Reaktionen. Demgegenüber geben Superkondensatoren Energie ab und speichern sie, indem sie elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche ansammeln. Deswegen sind ihre Lade- und Entladeprozesse extrem schnell, was optimal für Anwendungen ist, die schnelle Stromstöße brauchen. Dies ist zum Beispiel bei regenerativen Bremssystemen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und bei Blitz von Kameras der Fall. Die Komplikationen bei Superkondensatoren liegen darin, Materialien mit ausreichender Oberfläche zu schaffen, damit große Energiemengen gespeichert werden können. Herkömmliche PEDOT-Materialien konnten diese Anforderungen nicht erfüllen.

Funktionsweise und Entwicklung des innovativen PEDOT-Materials im Detail

Chemiker stellten das innovative PEDOT-Material durch ein Dampfphasen-Wachstumsverfahren her, um somit vertikale PEDOT-Nanofasern zu erzeugen. Diese Nanofasern vergrößern wiederum die Oberfläche des Materials, sodass mehr Energie speicherbar ist. Optisch erinnern die Nanofasern als aufrecht nach oben wachsendes Gras. Konkret beinhaltet der Prozess das Aufbringen einer Lösung, bestehend aus Graphenoxid-Nanoflocken und Eisen(III)-chlorid (FeCl3), auf eine Graphitplatte. Diese Kombination dient als Keim für das nachfolgende Polymerwachstum. Die so präparierte Probe wird anschließend einem Dampf von Präkursormolekülen ausgesetzt, welche die Bausteine für das PEDOT-Polymer bilden.

Im Unterschied zu traditionellen Syntheseverfahren, die zur Ausbildung dünner, zweidimensionaler PEDOT-Filme führen, resultiert diese neuartige Methode in der Bildung einer makroskopischen, dreidimensionalen Struktur, die an ein dichtes, pelzartiges Gewebe erinnert. Diese Morphologie ist auf die Wechselwirkung zwischen den Graphenoxid-Nanoflocken, dem Eisenchlorid und den Präkursormolekülen zurückzuführen. Die Nanoflocken bieten eine große Oberfläche für die Polymerisation und das Eisenchlorid wirkt als Katalysator, der die Wachstumsrichtung und -geschwindigkeit des Polymers beeinflusst. Dadurch wird ein ungerichtetes, dreidimensionales Wachstum induziert, was letztendlich zu der beobachteten Oberflächenvergrößerung führt. Maher El-Kady, der UCLA-Materialwissenschaftler, betont zudem:

„Das einzigartige vertikale Wachstum des Materials ermöglicht es uns, PEDOT-Elektroden zu schaffen, die viel 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 damit seine Kapazität so weit erhöht, dass wir einen Superkondensator bauen konnten.“

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