Superkondensatoren: Mini-Supercaps aus Graphentinte

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Superkondensatoren sind wahre Energiewunder, die vielleicht in Zukunft Batterien ablösen. Mikro-Superkondensatoren wiederum sind Superkondensatoren im Mini-Format, die in flexiblen elektronischen Geräten zum Einsatz kommen könnten. Chinesische Wissenschaftler sind diesem Ziel jetzt nähergekommen.

Mikro-Superkondensatoren für das Internet der Dinge

Superkondensatoren sind viel leistungsfähiger als herkömmliche Akkus, erreichen aber noch nicht dieselbe Energiedichte. Da es einen wachsenden Markt und Bedarf an vernetzten, tragbaren und damit flexiblen Elektronikgeräten im Miniaturformat gibt, brauchen wir eine neue Generation von Energiespeichern. Doch Supercaps und Batterien lassen sich nicht so einfach in Miniaturgröße herstellen, da sie komplexe Zusammensetzungen verschiedener Materialien sind.

Mikro-Superkondensatoren sollen diese Anforderungen erfüllen. Letztes Jahr haben Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Forschern der Tsinghua-Universität in Shenzhen einen flexiblen All-Solid-State-Planar-Mikrokondensator auf Lithium-Ionen-Basis entwickelt. Dieses Konzept hat großes Potenzial für die Anwendung in künftigen smarten Elektronikprodukten. Mikro-Superkondensatoren wie dieser sollen nicht nur eine höhere Leistungsdichte als Mikrobatterien mitbringen, sondern auch das Problem der niedrigen Energiedichte von Elektrolytkondensatoren lösen.

Neues Herstellungsverfahren mit Graphentinte

Der in China entwickelte Mikro-Superkondensator besitzt eine hohe Energiedichte und eine gute Flexibilität. Er ist sehr temperaturstabil und so designt, dass er direkt in tragbare Geräte integriert werden kann. Das Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat zudem jetzt ein neues Verfahren entwickelt, um Mikro-Superkondensatoren in verschiedenen Formen sowie komplexe Arrays schnell herstellen zu können. Sie nutzen dafür ein Siebdruckverfahren mit Graphentinte. Das System ist so einfach und günstig, dass es die Entwicklung neuer elektronischer Komponenten erleichtern wird.

Die Tinte besteht aus Graphen und Ruß sowie einem polymeren Bindemittel in einem Lösungsmittel. Diese Graphentinte bringen die Forscher auf ein Substrat auf, etwa Glas oder flexiblen Kunststoff, und nutzen ein gemustertes Sieb als Schablone. Das daraus resultierende Muster beinhaltet alle leitenden Teile des Elementes. Die Graphenbasis kann so gleichzeitig Mikroelektrode, metallfreier Stromabnehmer und Verbindung sein. Wenn die Tinte nach 12 Stunden trocken ist, wird ein Elektrolytgel darüber aufgetragen. Nach weiteren 12 Stunden ist das Element fertig zum Gebrauch.

Das Schwierigste an der Entwicklung von druckbaren, integrierten Mikro-Superkondensatoren ist die Zusammensetzung der Tinte, damit sie alle nötigen elektrischen, elektrochemischen und rheologischen Eigenschaften mitbringt, erklärte Zhong-Shuai Wu, der an dem Projekt führend beteiligt ist.

Auch komplizierte Designs lassen sich so realisieren

Da die ganze Struktur in einem einzigen Schritt entsteht, lassen sich mit diesem Verfahren auch hochkomplexe Designs ohne Probleme umsetzen. Ein einzelner Mikro-Superkondensator liefert zwar nur eine Spannung von unter 1 Volt. Die Forscher konnten aber 130 Stück in Reihe integrieren und erreichten damit eine Ausgangsspannung von über 100 V.

Wird das Element auf ein flexibles Substrat aufgebracht, ist es ebenfalls flexibel und so auch kompatibel mit tragbaren Geräten. Solche flexiblen Mikro-Superkondensatoren könnten zum Beispiel gut in Geräte zur Gesundheitsüberwachung integriert werden, etwa in Sensoren auf Haut und Augen, meinen Experten. Die Forscher wollen nun auf Basis der Methode neue Systeme entwickeln, die auch Komponenten enthalten, die Energie ernten und in den Mikro-Superkondensatoren speichern. Neue Elektrolyte sollen die Kondensatorspannung erhöhen und die Speicherkapazität der Elemente erhöhen.

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