Superkondensatoren aus Holzbestandteilen

Elektroden aus ultradünnem Kohlenstoff-Nanofaser-Aerogel durch Pyrolyse von Cellulose

25.05.2018 - China

Als ultraleichte, leitfähige Materialien werden Kohlenstoff-Aerogele derzeit intensiv als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren für die Elektromobilität und in Smartphones erforscht. Wie ein solches Elektrodenmaterial auch nachhaltig produziert werden kann, berichten jetzt chinesische Wissenschaftler. Demnach können Kohlenstoff-Aerogele aus nanofaseriger Cellulose gefertigt werden, dem Hauptbestandteil des Zellwandmaterials von Holz.

Superkondensatoren sind Kondensatoren, die sehr viel Energie in sehr kurzer Zeit aufnehmen und wieder freisetzen können. Die Elektroden in Superkondensatoren müssen eine große Oberfläche und ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweisen, und vor allem müssen sie einfach herzustellen sein. Nachhaltigkeit wird immer wichtiger, insbesondere für die Elektromobilitäts- und Smartphone-Technologie. Ein Forschungsteam um Shu-Hong Yu an der University of Science and Technology of China, Hefei (China) hat jetzt ein innovatives Verfahren vorgestellt, nach dem Kohlenstoff-Aerogele als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren sowohl kostengünstig als auch nachhaltig produziert werden können.

Kohlenstoff-Aerogele sind ultraleichte, leitfähige Materialien mit einer enorm großen Oberfläche. Zwei Produktionsverfahren führen zu unterschiedlichen Qualitäten: Ein Verfahren verwendet hauptsächlich phenolische Komponenten als Rohstoff. Es ist billig, aber die Aerogele sind etwas zu wenig leitfähig. Das andere Verfahren geht von Vorstufen aus Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhren aus. Die produzierten Aerogele sind von höchster Qualität, aber die Vorstufen und das Verfahren sind teuer und insgesamt wenig umweltfreundlich. Andere Rohstoffe müssen her. Yu und seine Kollegen stießen nun auf ein überall verfügbares und deutlich preiswerteres Material, nämlich Zellstoff oder Holzschliff aus der Holzverarbeitung.

Genauer gesagt verwendeten sie nicht den Holzschliff an sich, sondern seinen Hauptbestandteil, nanofaserige Cellulose. Cellulose-Nanofasern verleihen den pflanzlichen Zellwänden ihre Stabilität. Sie lassen sich in Reinform extrahieren und bilden ein technisch hochwertiges Material, für das sich derzeit Forscher und Entwickler außerordentlich interessieren. Cellulose-Nanofasern bilden ein poröses, aber hochstabiles transparentes dreidimensionales Netzwerk. Erst kürzlich haben Forscher herausgefunden, dass die Oxidation mit einer Substanz namens TEMPO – einem Radikalfänger – das Material in ein mikroporöses Hydrogel überführt, in dem die Cellulose-Nanofasern sehr gleichmäßige Breiten und Längen aufweisen und außerordentlich regelmäßig ausgerichtet sind. Durch Trocknen und Carbonisieren – also durch Pyrolyse – werden aus solchen Hydrogelen organische Aerogele. Die Autoren wollten daher ein getrocknetes Cellulose-Nanofaser-Hydrogel in ein Kohlenstoff-Nanofaser-Aerogel carbonisieren.

Das Verfahren gestaltete sich jedoch als schwieriger als gedacht. Eiskristallbildung und ungenügende Entwässerung verhinderte die Carbonisierung, fanden die Autoren. Ein besonderer Kniff war nötig. Letztlich half es, das getrocknete Gel zusammen mit einem organischen Säurekatalysator namens para-Toluolsulfonsäure zu pyrolysieren. Der Katalysator senke die Zersetzungstemperatur und ermögliche, dass ein „mechanisch stabiles und poröses dreidimensionales Nanofaser-Netzwerk“ mit „großer spezifischer Oberfläche und hoher elektrischer Leitfähigkeit“ entstehe, schreiben die Autoren.

Ihr Kohlenstoff-Aerogel aus Holz-Ausgangsstoffen könne auch als binderfreie Elektrode für Superkondensatoren eingesetzt werden. Ihre Leistungskennzahlen entsprächen denen kommerzieller Kohlenstoff-Aerogel-Elektroden. Nachhaltigkeit auch in elektronischen Hochleistungsbauteilen ist also durchaus möglich, wie die Autoren mit ihrer innovativen Methode eindrucksvoll zeigten.

Originalveröffentlichung

Si‐Cheng Li, Bi‐Cheng Hu, Dr. Yan‐Wei Ding, Prof. Hai‐Wei Liang, Chao Li, Dr. Zi‐You Yu, Dr. Zhen‐Yu Wu, Prof. Wen‐Shuai Chen, Prof. Shu‐Hong Yu; "Wood‐Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels"; Angew. Chem.; 2018

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