Super-Stretch für die Elektronik
Hoch dehnbarer faserförmiger Superkondensator auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen
Das Handydisplay im Jackenärmel, EKG-Sonden in der Sportbekleidung – der Trend geht zur tragbaren Elektronik, im doppelten Wortsinn. Damit in Textilien eingebaute Elektronik auch über längere Zeit funktionstüchtig bleibt, müssen alle Bestandteile flexibel und dehnbar sein. Chinesische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt einen neuen Typ eines Superkondensators vor, der diese Forderung erfüllt. Die Bauteile sind faserförmig und basieren auf Kohlenstoffnanoröhrchen.
Sollen elektronische Geräte in Textilien oder Kunststofffolien eingebaut werden, müssen deren Bestandteile sich dehnen lassen. Das gilt für LEDs und Solarzellen, Transistoren und Schaltkreise genauso wie für Akkus oder Batterien – und auch für die vielfach zum Datenerhalt in statischen Speichern (SRAM) eingesetzten Superkondensatoren. SRAM sind Speicher mit kleiner Datenkapazität, deren Inhalt schnell abrufbar ist. SRAMS werden beispielsweise als Cache in Prozessoren und als lokaler Speicher auf Chips eingesetzt sowie in Geräten, die ihren Dateninhalt auch ohne dauerhafte Stromversorgung einige Jahren lang nicht vergessen sollen.
Bisherige dehnbar ausgelegte elektronische Bauteile werden meist in einem konventionellen planaren Format hergestellt, was ein Hindernis für deren Weiterentwicklung für kleine, leichte, tragbare Geräte ist. Erste Ansätze, Superkondensatoren in Form von Drähten oder Fasern herzustellen, ergab flexible, aber nicht dehnbare Bauteile. Dehnbarkeit ist jedoch eine unbedingt erforderliche Eigenschaft für eine Reihe von Anwendungen: So würden elektronische Textilien beispielsweise leicht brechen während der Verwendung, wenn sie nicht dehnbar sind.
Das Team um Huisheng Peng von der Fudan University hat jetzt erstmals eine neue Familie hochdehnbarer faserförmiger hochleistungsfähiger Superkondensatoren entwickelt. Die Herstellung erfolgt in Wickeltechnik mit einer elastischen Faser als Kern. Diese wird mit einem gelförmigen Elektrolyten beschichtet und mit einer dünnen Lage aus Kohlenstoffnanoröhrchen wie mit einem Blatt Papier umwickelt. Es folgt eine erneute Beschichtung mit dem Elektrolytgel, dann wird eine weitere Lage aus Kohlenstoffnanoröhrchen aufgewickelt und nochmals mit Elektrolytgel beschichtet.
Die feinen „Blätter“ aus Kohlenstoffnanoröhrchen wurden durch chemische Gasphasenabscheidung und ein Spinnverfahren gewonnen. Die winzigen Röhrchen sind in den auf diese Weise hergestellten Blättern gleichmäßig parallel zueinander ausgerichtet. Solche Schichten bringen eine bemerkenswerte Kombination von Eigenschaften mit: Sie sind hochflexibel, reißfest, elektrisch leitfähig, thermisch und mechanisch stabil. In den gewickelten Fasern übernehmen die beiden Schichten aus Kohlenstoffnanoröhrchen die Rolle der Elektroden. Das Elektrolytgel trennt die Elektroden voneinander und stabilisiert gleichzeitig die Nanoröhrchen während der Dehnung, sodass deren Anordnung erhalten bleibt. So entstehen Superkondensator-Fasern, deren hohe Kapazität auch nach vielen Dehnzyklen erhalten bleibt.
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