Duke / Michigan State University Dehnbarer Superkondensator für Wearables

Wenn Wälder aus Kohlenstoff-Nanoröhren auf ein in zwei Richtungen vorgespanntes Elastomer-Substrat gelegt werden, entsteht ein Labyrinth aus Spaghetti anstelle von Reihen, was die Leistung des dehnbaren Superkondensators verbessert.
Wenn Wälder aus Kohlenstoff-Nanoröhren auf ein in zwei Richtungen vorgespanntes Elastomer-Substrat gelegt werden, entsteht ein Labyrinth aus Spaghetti anstelle von Reihen, was die Leistung des dehnbaren Superkondensators verbessert.

Forscher der Duke University und der Michigan State University haben einen Superkondensator entwickelt, der selbst dann voll funktionsfähig bleibt, wenn er um das Achtfache seiner ursprünglichen Größe gedehnt wird. Damit könnte er Wearables oder biomedizinische Geräte ohne Batterie versorgen.

Ziel der Forscher der Duke University und der Michigan State University ist es, innovative Geräte zu entwickeln, die mechanische Verformungen wie Dehnung, Verdrehung oder Biegung ohne Leistungsverlust überstehen. Daher ist es nötig, dass auch deren Stromversorgung flexibel ist.

Die Forscher unter der Leitung von Changyong Cao, Assistenzprofessor für Packaging, Maschinenbau und Elektro- und Computertechnik an der Michigan State University, und Jeff Glass, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Duke University, haben einen neuartigen Superkondensator entwickelt, der selbst dann voll funktionsfähig bleibt, wenn er um das Achtfache seiner ursprünglichen Größe gedehnt wird. Er verschleißt durch wiederholtes Dehnen nicht und verliert nach 10.000 Lade- und Entladezyklen nur wenige Prozentpunkte an Leistungsfähigkeit. Die Ergebnisse sind online in der Fachzeitschrift Matter erschienen.

Allerdings sind die meisten Superkondensatoren genauso hart und spröde wie die meisten anderen Bauteile auf einer Leiterplatte. Deshalb haben Cao und Glass jahrelang an einer dehnbaren Version gearbeitet. Das ist ihnen nun gelungen. Ihr briefmarkengroßer Superkondensator hat eine Arbeitsspannung von mehr als 2 V. Verbindet man vier davon miteinander, wie es viele Geräte für AA- oder AAA-Batterien erfordern, könnten die Superkondensatoren eine Casio-Uhr mit zwei Volt für anderthalb Stunden versorgen.

Aufbau den dehnbaren Superkondensators

Um die dehnbaren Superkondensatoren herzustellen, züchten Glass und sein Team an der Duke University zunächst einen Wald aus Kohlenstoff-Nanoröhren – ein Fleck aus Millionen von Nanoröhren mit einem Durchmesser von nur 15 nm und einer Höhe von 20 µm bis 30 µm – auf einem Siliziumwafer. Anschließend Forscher die beschichten dann diesen »Wald« mit einer nanometer-dünnen Lage Gold. Diese Goldschicht fungiert als eine Art elektrischer Kollektor, der den Widerstand des Bauelements um eine Größenordnung unter den früherer Versionen senkt. Dadurch lässt sich das Bauelement viel schneller auf- und entladen.

Anschließend übergibt Glass den Prozess an Cao und sein Team. Dieses überträgt den Wald aus Kohlenstoff-Nanoröhren auf ein vorgedehntes Elastomer-Substrat mit der Goldseite nach unten. Die mit Gel gefüllte Elektrode wird dann aus der Spannvorrichtung genommen, um die Vordehnung zu lösen. Dadurch schrumpft die Elektrode auf ein Viertel ihrer ursprünglichen Größe. Dieser Prozess zerknittert die dünne Goldschicht und zerschmettert die »Bäume« in dem Wald aus Kohlenstoff-Nanoröhren.

»Durch das Zerknittern vergrößert sich die verfügbare Oberfläche auf kleinem Raum erheblich. Das wiederum erhöht die Menge der Ladung, die sie aufnehmen kann«, erklärte Glass. »Wenn wir den Platz auf der Erde hätten, um damit zu arbeiten, würde eine flache Oberfläche gut funktionieren. Aber wenn wir einen Superkondensator wollen, der in echten Geräten verwendet werden soll, müssen wir ihn so klein wie möglich machen.«

Der extrem dichte Wald wird dann mit einem Gel-Elektrolyten gefüllt, der die Elektronen auf der Oberfläche der Nanoröhren einfangen kann. Wenn zwei dieser abschließenden Elektroden dicht aneinander liegen, lädt eine angelegte Spannung die eine Seite mit Elektronen auf, während sie auf der anderen Seite abfließen. Dadurch wird der Superkondensator geladen.

»Wir müssen noch einiges an Arbeit leisten, um ein komplettes dehnbares elektronisches System aufzubauen«, meinte Cao. »Der Superkondensator in diesem Beitrag geht noch nicht so weit, wie wir es uns wünschen. Aber ausgehend davon können wir einen robusten, dehnbaren Superkondensator in ein System integrieren, das aus dehnbaren Drähten, Sensoren und Detektoren besteht, um vollständig dehnbare Baugruppen zu schaffen.«

Dehnbare Superkondensatoren, so die Forscher, könnten einige zukunftsweisende Geräte eigenständig betreiben oder ließen sich mit anderen Komponenten kombinieren. So können Superkondensatoren beispielsweise in wenigen Sekunden aufgeladen werden und dann langsam eine Batterie aufladen, die wiederum als primäre Energiequelle für ein Gerät dient. Dieser Ansatz kommt beim regenerativen Bremsen in Hybridfahrzeugen zum Einsatz, wo die Energie schneller erzeugt wird, als sie gespeichert werden kann. In Japan beispielsweise versorgen Superkondensatoren einen Bus für den städtischen Nahverkehr, die an jeder Haltestelle in der kurzen Zeit, die die Fahrgäste zum Ein- und Aussteigen benötigen, vollständig aufgeladen werden.

»Viele Leute möchten Superkondensatoren und Batterien kombiniere«, sagte Glass. »Ein Superkondensator kann sich schnell aufladen und Tausende oder sogar Millionen von Ladezyklen überstehen. Batterien hingegen können mehr Energie speichern, sodass sie eine lange Laufzeit haben. Kombiniert man beide, erhält man das Beste aus beiden Welten. Sie erfüllen zwei verschiedene Funktionen innerhalb desselben elektrischen Systems.«

Originalpublikation

Yihao Zhou, Changyong Cao, Yunteng Cao, Qiwei Han, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass. Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors, Matter, March 19, 2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.024