Hochelastische Superkondensatoren

Elektrolyt aus Polyacrylamid-Hydrogel macht Superkondensatoren außerordentlich dehn- und komprimierbar

04.07.2017 - Hong Kong

Elastische Elektroniksysteme benötigen eine ebenso elastische Stromquelle. Chinesische Wissenschaftler stellen jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein Polyelektrolytmaterial für einen außerordentlich dehnbaren und komprimierbaren Superkondensator vor. Ausgestattet mit Papierelektroden aus einem Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial, kann dieser Superkondensator auf das mehr als Zehnfache seiner Länge gestreckt und bis auf die Hälfte seiner Dicke komprimiert werden. Dabei gewinnt er noch an Kapazität.

Superkondensatoren füllen die Lücke zwischen (wiederaufladbaren) Batterien und normalen Kondensatoren aus. Während Batterien vor allem als Energiespeicher und -Quelle genutzt werden, dienen Kondensatoren zur raschen Ladung und Entladung, können aber nicht viel Energie speichern. Superkondensatoren besitzen nun zusätzlich zu einer großen Lade- und Entladekapazität eine überaus hohe Energie- und Leistungsdichte. Sie werden zum Beispiel bei der Rekuperation in elektrischen Fahrzeugen oder als Speicherpuffer in Windrädern und – immer mehr – in elektronischen Kleingeräten wie Laptops oder Digitalkameras verwendet. Um sie für Zukunftsthemen wie intelligente Kleidung oder elektronisches Papier fit zu machen, arbeiten Chunyi Zhi von der City University of Hong Kong und Kollegen an immer stärker mechanisch beanspruchbaren Superkondensatoren. Dafür haben sie jetzt einen Polyelektrolyten für Superkondensatoren entwickelt, der sich auf das Zehnfache seiner Länge dehnen und auf die Hälfte seiner Dicke zusammenpressen lässt, ohne Spuren von Beanspruchung zu zeigen.

Als Elektrolyt in Superkondensatoren wird häufig ein Gel aus Polyvinylalkohol verwendet. Eine gewisse Biegsamkeit oder Dehnbarkeit erreicht man durch elastische Zusatzstoffe wie Kautschuk oder bestimmte Fasern. Der Elektrolyt von Zhi ist anders aufgebaut: Ein Polyacrylamid(PAM)-Hydrogel wird durch Vinyl-funktionalisierte Nanopartikeln aus Siliciumdioxid (VSPNs) verstärkt. Die Vinyl-Siliciumdioxid-Nanopartikel vernetzen die polymeren Komponenten im Gel und machen es stark dehnbar, während der Polyelektrolyt Wasser und Ionen aufnimmt und somit für die Leitfähigkeit sorgt. „Der VSNP-Quervernetzer dient als Puffer, um die Spannungsenergie abzuleiten und das PAM-Netzwerk zu homogenisieren. Durch diese Synergie erreicht unser Superkondensator eine enorme intrinsische Dehnbarkeit und Komprimierbarkeit”, erklärt Zhi.

Einen funktionsfähigen Superkondensator bauten die Forscher durch Auflegen von zwei identischen Papierelektroden aus einem Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial auf jede Seite des maximal gedehnten Polyelektrolytfilms. Lässt die Spannung nach, entsteht eine ziehharmonikaartige Struktur mit überraschender Elektrochemie: „Die elektrochemische Leistung steigt an, wenn der Spannungsstress größer wird”, bemerkten die Wissenschaftler. Und der Spannungsstress war gewaltig: Bis zu einer Dehnung auf 1000 Prozent und einer Kompression auf die Hälfte seiner Dicke überstand der Superkondensator unbeschadet, und das bei gleicher oder sogar höherer Kapazität. Für künftige Entwicklungen von in Stoffen und Papier integrierter Elektronik dürfte daher dieser Polyelektrolyt höchst interessant sein.

Originalveröffentlichung

Huang, Y., Zhong, M., Shi, F., Liu, X., Tang, Z., Wang, Y., Huang, Y., Hou, H., Xie, X. and Zhi, C.; "An Intrinsically Stretchable and Compressible Supercapacitor Containing a Polyacrylamide Hydrogel Electrolyte"; Angew. Chem.; 2017

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