Superkondensatoren aus Rost

Kapazität für Tausende von Ladezyklen

“Stellen Sie sich eine Batterie vor, die sich schnell auflädt, ihre Kapazität über viele Tausende von Ladezyklen beibehält und bei Temperaturen  bis 60° C effizient arbeiten kann. Stellen Sie sich nun auch noch vor, dieses Gerät ist gar keine Batterie, sondern ein Superkondensator.” Man hört den Stolz der Entdecker aus diesen Zeilen: Die von einem Forscherteam um Julio D’Arcy der Fakultät für Chemie an der Washington University in St. Louis entdeckten Mikrosuperkondensatoren weisen außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit und Energiedichte auf und erreichen die höchsten derartigen Werte aller leitfähigen Mikrosuperkondensatoren auf Polymerbasis. Die Ergebnisse wurden in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Die neuen Methoden zur Herstellung von Mikrosuperkondensatoren kombinieren konventionelle Mikroherstellungstechniken mit modernster Polymerisation. Diese Forschung ist auf der hinteren Umschlaginnenseite der Zeitschrift Advanced Functional Materials zu finden. Das Kunstwerk hebt sowohl die dünne Metalloxidschicht als auch den Nanofaserteppich hervor, die aus der Methode von D’Arcy Lab resultieren.

Obwohl Batterien höhere Energiedichten als Kondensatoren haben – Batterien können länger Strom liefern als Kondensatoren – sind Kondensatoren in der Leistungsdichte überlegen, d.h. sie können sehr schnell Energie liefern. Superkondensatoren sind speziell dafür ausgelegt, mehr Energie zu speichern als herkömmliche Kondensatoren, was sie ideal für Anwendungen wie Sensoren, RFID-Tags und Mikroroboter macht, die alle eine hochleistungsfähige, miniaturisierte Energiespeicherung erfordern.

Für seine Arbeit an Mikrosuperkondensatoren kombinierte das Team von D’Arcy Reinraumtechnologie mit der Abzugstechnologie. “Typischerweise verarbeitet man in einem Reinraum Materialien, die in Computern landen, wie z.B. Halbleiter”, sagte D’Arcy und wies darauf hin, dass Reinraumumgebungen streng reguliert sind, um Staub und andere Verunreinigungen in der Luft zu eliminieren. “Im Reinraum hier auf dem Campus, im Institut für Materialwissenschaft und -technik, haben sie eine Menge wirklich coole Instrumente, darunter ein Instrument, mit dem man eine dünne Materialschicht auf eine Oberfläche auftragen kann. Mit diesem Instrument haben wir Fe2O3-Schichten bis 20 Nanometer – sehr dünne Metalloxidschichten – abgeschieden, das war auf keine andere Art möglich.

Umwandlung von Rost in leitfähige Mikrosuperkondensatoren auf Polymerbasis

Wenn Fe2O3 bekannt klingt, sollte es das auch – es ist Rost. Für D’Arcy und sein Team ist dieses gemeinsame Material ein idealer und kostengünstiger Ausgangspunkt für die chemische Synthese. “Wenn der Rost einmal abgelagert ist, ist er unglaublich stabil und inert. Er kann problemlos der Atmosphäre ausgesetzt werden, so dass wir aus dem Reinraum heraus und zurück ins Chemielabor zu unserem Abzug gehen können, wo wir diese Metalloxidschicht als Reaktant in der chemischen Synthese verwenden”, sagte D’Arcy.

Abstract aus Advanced Functional Materials:

Mikrosuperkondensatoren (µSCs) sind attraktive elektrochemische Energiespeicher, die in miniaturisierten tragbaren Elektronikgeräten aufgrund der hohen Leistungsdichte und der erweiterten Zyklenfestigkeit Alternativen zu Batterien darstellen. Derzeitige hochmoderne Mikrofabrikationsstrategien sind durch kostspielige Schritte zur Herstellung von Materialien mit strukturellen Defekten, die zu einer niedrigen Energiedichte führen, begrenzt. In diesem Beitrag wird eine Elektroden-Engineering-Plattform vorgestellt, die konventionelle Mikrofabrikation und Polymerisation aus der Dampfphase kombiniert und 3D-µSCs des leitenden Polymers Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) erzeugt. Eine gesputterte Fe2O3-Vorläuferschicht ermöglicht die Abscheidung einer 250 nm dicken Polymerbeschichtung, die aus einer hohen Packungsdichte vertikal ausgerichteter PEDOT-Nanofasern mit einer außergewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit (3580 S/cm) besteht. Die 3D-µSCs weisen eine hochmoderne volumetrische Energiedichte (16,1 mWh/cm3) sowie flächenhafte (21.3 mF/cm2) und volumetrische (204° C/cm3) Kapazitäten in 1 M wässrigem H2SO4-Elektrolyt auf. Diese Leistungswerte stellen die höchsten Werte unter den leitfähigen polymerbasierten µSCs dar. Die elektrochemische Leistung wird durch die Untersuchung von Schichtdicke, Spaltabstand, fraktaler Geometrie und Gelelektrolyt (1 M H2SO4/Polyvinylalkohol) kontrolliert. Die µSCs im Quasisolid-Zustand weisen ein erweitertes Ratenvermögen (50 V s-1) auf, behalten 94 % der ursprünglichen Kapazität nach 10.000 Zyklen bei und bleiben bis 60 °C thermisch stabil.

Die Umwandlung von Rost in hochmoderne leitfähige Mikrosuperkondensatoren auf Polymerbasis erweist sich als bemerkenswert unkompliziert: “Der einfachste Weg, Rost von einer Oberfläche zu entfernen, ist die Zugabe von ein wenig Säure. Das ist der Rostentferner, den man im Baumarkt bekommt. Unsere Umwandlung funktioniert auf die gleiche Weise – wir fügen Säure hinzu und verändern das Eisenoxid, indem wir ein Eisenatom freisetzen. Dieses Eisenatom wird zum Reaktanten für unseren Polymerdampf”, erklärte D’Arcy. Dieser Prozess ist als rostunterstützte Dampfphasenpolymerisation bekannt.

Selbstorganisations-Prozess

“Was wir entdeckt haben und was an unserem Prozess so aufregend ist: Das Ergebnis unserer chemischen Reaktion ist einzigartig – ein Prozess der Selbstorganisation”, fuhr D’Arcy fort. “Wir stellen Nanostrukturen aus einem Polymer her, im Grunde genommen ein dünner Film oder Teppich aus Nanopolymerbürsten. Das weiche, halbleitende, organische Material lagert sich auf der Oberfläche ab, wo immer Rost vorhanden war. Diese Umwandlung – der Schicht, die wir im Reinraum abgeschieden haben, in Nanofasermaterial – ist eine direkte Umwandlung. Niemand auf diesem Gebiet war bisher in der Lage, Nanostrukturen ohne eine Schablone in diesem Umfang herzustellen. Wir machen es direkt; wir haben eine Synthese entwickelt, die zur Selbstmontage führt”.

D’Arcy schreibt dem Erstautor Yifan Diao, einem Doktoranden am Institute of Materials Science & Engineering (IMSE) und im D’Arcy-Labor, die Idee zu, Mikroschichten im Reinraum abzuscheiden. D’Arcy bemerkte: “Als wir ziemlich ratlos waren, was die Reinraumtechnologie ermöglicht, entdeckten wir, dass alles besser wurde. Es ist viel einfacher, chemische Eigenschaften mit kleineren Elektroden zu kontrollieren; und die Ergebnisse waren in diesem Fall, würde ich sagen, exquisit. Das Konzept, im Mikromaßstab zu arbeiten, erweist sich in vielen Fällen als ideale Lösung”.

Siehe auch: “Strom aus Rost und Salzwasser – US-Wissenschaftler nutzen bei Eisenoxid-Dünnschicht auftretenden elektrokinetischen Effekt” (solarify.eu/strom-aus-rost-und-salzwasser)

->Quellen: