“Supercaps” als dehnbare Mini-Stromspeicher

US-Wissenschaftler sehen neue Chancen für tragbare Elektronik und medizinische Sensoren

Hochleistungs-Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie, sogenannte “Supercaps”, haben Forscher des Soft Machines & Electronics Laboratory der Michigan State University (SMC der MSU) entwickelt. Sie sind speziell für die Versorgung von Sensoren gedacht, die in der Medizin eingesetzt werden. Die Supercaps bestehen aus sogenannten “zerknäulten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wäldern” (Crumpled Carbon Nano Tube-Forests [CNT-Forests]). Sie sind äußerst flexibel. Selbst wenn man sie auf 800 Prozent ihrer Anfangsgröße dehnt, funktionieren sie noch.

Wald aus Nanoröhrchen

Die eingesetzten Nanoröhrchen wachsen auf einem Wafer nebeneinander in die Höhe. Sie bilden eine Art Wald mit einer Höhe von zehn bis 30 Mikrometern. Dieser Wald wird von der Unterlage abgelöst. Daraus formen Changyong Cao und sein Team Knäuel. Die zuerst in der Zeitschrift Advanced Energy Materials und dann in zahlreichen weiteren Publikationen veröffentlichten Ergebnisse des Teams können die Entwicklung neuer dehnbarer elektronischer Energiesysteme, implantierbarer biomedizinischer Geräte sowie intelligenter Verpackungssysteme vorantreiben.

Winzige CNT Forests (“Supercaps”) unter dem Elektronenmikroskop – Bild © Soft Machines & Electronics Laboratory MSU

“Der Schlüssel zum Erfolg ist der innovative Ansatz, vertikal ausgerichtete CNT-Arrays oder CNT-Wälder zu zerknittern”, unterstreicht der Direktor am Soft Machines and Electronics Laboratory. Normal wäre gewesen, einen Film aus den Nanoröhrchen herzustellen. Die Knäuel hätten dagegen eine weitaus größere Oberfläche, weil sie dreidimensional seien. Die elektrische Leitfähigkeit leide darunter nicht. Außerdem seien die Nanoröhrchen in dieser Form effektiver.

Abstract in Advanced Energy Materials. Hochdehnbare Superkondensatoren über zerknitterte, vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrenwälder: “Elastische Superkondensatoren haben zunehmend an Bedeutung gewonnen aufgrund ihrer breiten Anwendung bei der Entwicklung batteriebetriebener dehnbarer Elektronik für tragbare, epidermale und implantierbare Elektronik und biomedizinische Geräte, die in der Lage sind, große Deformationen aufrechtzuerhalten und sich an komplizierte Oberflächen anzupassen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger, hoch dehnbarer und zuverlässiger Superkondensator aus zerknitterten, vertikal ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT)-Wäldern vorgestellt, die mit Hilfe eines thermischen Glühprozesses in Atmosphärenumgebung auf ein Elastomersubstrat übertragen werden.
Die zerknitterten Elektroden aus dem CNT-Wald zeigten eine gute elektrochemische Leistung und Stabilität entweder unter einachsigen (300 %) oder biaxialen Stämmen (300 % × 300 %) für Tausende von Dehnungs- und Entspannungszyklen. Die resultierenden Superkondensatoren können eine Dehnbarkeit von 800 % beibehalten und besitzen eine spezifische Kapazität von 5 mF cm-2 bei einer Abtastrate von 50 mV s-1. Darüber hinaus können die zerknitterten CNT-Waldelektroden problemlos mit imprägnierten Metalloxid-Nanopartikeln dekoriert werden, um die spezifische Kapazität und Energiedichte der Superkondensatoren zu verbessern. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz bietet eine alternative Strategie für die Entwicklung neuartiger dehnbarer Energievorrichtungen mit vertikal ausgerichteten Nanoröhren oder Nanodrähten für erweiterte Anwendungen in dehnbaren, flexiblen und tragbaren elektronischen Systemen.” (Übersetzt mit deepl.com/translator)

Selbstversorgende tragbare Technologie mit eigener Stromversorgung

Damit die aufkommende tragbare Technologie vorankommt, braucht sie verbesserte Stromquellen wie die von den MSU-Forschern gefundenen CNT-Wälder. Caos neu entwickelter Superkondensator hat eine solide Leistung und Stabilität bewiesen, auch nachdem er für Tausende von Streck- und Entspannungszyklen auf das Achtfache seiner ursprünglichen Größe gestreckt wurde – so eine Medienmitteilung der MSU. Cao: “Anstatt eine flache Dünnschicht zu haben, die während der Herstellung strikt eingeschränkt wird, ermöglicht unser Design, dass der dreidimensional vernetzte CNT-Wald eine gute elektrische Leitfähigkeit aufrechterhält, die ihn viel effizienter, zuverlässiger und robuster macht.”

Die meisten Menschen kennen tragbare Technologien in ihrer Grundform als iWatches, die mit Smartphones kommunizieren. In diesem Beispiel sind das zwei Technologien, die Batterien benötigen. Intelligente künstliche Hautteile etwa für Verbrennungsopfer, welche die Heilung überwachen und sich selbst laden können – diese Zukunft eröffne Caos Erfindung. Im medizinischen Bereich wurde eine dehn- und tragbare Elektronik entwickelt, die extremen Verzerrungen standhalten und sich an komplizierte, unebene Oberflächen anpassen kann. In Zukunft könnten diese Innovationen in biologische Gewebe und Organe integriert werden, um Krankheiten zu erkennen, Verbesserungen zu überwachen und sogar mit Ärzten zu kommunizieren. Das lästige Problem war jedoch eine komplementäre tragbare Stromquelle – eine, die langlebig und langlebig ist.

Supercaps laden blitzschnell

“Es ist robuster, es ist wirklich ein Designdurchbruch”, sagte Cao, auch Assistenzprofessor für Maschinenbau sowie Elektro- und Computertechnik. In Bezug auf ihre Speicherfähigkeit und zu erwartende Ladegeschwindigkeit übertrafen Caos zerknitterte Nanowälder die meisten  bekannten CNT-basierten Superkondensatoren. Wie die Supercaps allerdings geladen werden, ist allerdings noch nicht völlg gelöst; beispielsweise wäre das möglich mit winzigen Stromerzeugern, die von einem äußeren elektromagnetischen Feld angeregt werden. Dem kommt eine Eigenart von Kondensatoren zugute. Sie sind sekundenschnell aufgeladen, während Akkus längere Zeit brauchen.

Aber selbst wenn die leistungsstarke Technologie Tausende von Dehnungs- und Entspannungszyklen überstehen kann, gibt es laut Cao noch Verbesserungsmöglichkeiten. Metalloxid-Nanopartikel können etwa leicht in die zerknitterten CNTs imprägniert und damit die Effizienz der Erfindung deutlich verbessert werden. Der neue Ansatz sollte die Weiterentwicklung eigengespeister, dehnbarer elektronischer Systeme auslösen, fügte Cao hinzu.

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