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Elektro-Tücher

Biegsame, tragbare Superkondensatoren aus einem porösem Kohlenstoff-Nanoverbundstoff

© Wiley-VCH

22.10.2019: Abendkleider mit eingewebten LEDs sehen extravagant aus, aber sind vom Strom abhängig. Für solche tragbaren Stromquellen haben chinesische Wissenschaft ein zu Stoff verpressbares Elektrodenmaterial entwickelt, das leicht, stabil und leistungsfähig ist. Mikrofluidik, also winzige Flüssigkeitsströme, war als Herstellungstechnik sehr hilfreich, heißt es in ihrem Artikel in der ZeitschriftAngewandte Chemie.

Kleider mit Hunderten von funkelnden LEDs sind sich ihrer Effekte im Ballsaal oder auf Modenschauen sicher. Außer Lampen in Kleidern können tragbare Elektronik aber auch einfach Sensoren sein, die in Funktionsgewebe zum Beispiel die Feuchtigkeit oder die Temperatur zu überwachen. Energiespeicher zur Stromversorgung von in Textilien integrierter Endelektronik sollten biegsam und zuverlässig sein. Biegsame Elektroden versagen jedoch oft im Langzeitbetrieb und haben oft weniger Kapazität als andere moderne elektrische Speicher.

Für hohe Kapazitäten muss die molekulare Struktur feinporös, elektrisch leitfähig und elektrochemisch aktiv sein. Die Materialwissenschaftler Su Chen, Guan Wu und ihre Teams von der Nanjing Tech University in China haben aus zwei Kohlenstoff-Nanomaterialien und einem metallorganischen Gerüst ein hybrides feinporöses Elektrodenmaterial entwickelt und daraus textilgeeignete Superkondensatoren gefertigt.

Für die Synthese erwies sich die Mikrofluidik als Flusstechnik mit sehr kleinen Reaktionsräumen als ideal. In den winzigen Kanälen auf einem Mikrofluidik-Chip wurden die Chemikalien mit einem Ölstrom in Tröpfchen zerlegt. In diesen Tröpfchen reagierten die Substanzen miteinander zu einem nahezu fehlerfreien Materialgerüst aus Poren, aktiven Gruppen und leitfähigen Schichten. Die Mikrofluidik-Technik war für den kontrollierten Aufbau entscheidend, erklären die Autoren.

Auf einem neuartigen Gebläse-Elektro-Nassspinner wurden die mikro-mesoporösen Kohlenstoffgerüste dann zusammen mit einem thermoplastischen Harz zu Fasern versponnen und diese dann weiter zu einem Gewebe für Elektroden verpresst. Die tuchartigen Elektroden setzten die Wissenschaftler dann zu Superkondensatoren zusammen. Für wirklich gute Elektroden sei aber noch eine weitere Beschichtungsrunde mit den mikro-mesoporösen Kohlenstoffgerüsten nötig gewesen, merkten sie an.

Die Superkondensatoren mit den Gewebe-Elektroden waren nicht nur biegsam, sondern in ihrer Energiedichte, ihrer spezifischen Kapazität und der Laufzeit von 10.000 Lade-Entlade-Zyklen vergleichbaren Netzteilen anderer Zusammensetzung deutlich überlegen. Praktische Tests wurden auch durchgeführt. Die Superkondensator-Tücher brachten bunte LEDs in Kleidern zum Leuchten und versorgten – solarbetrieben – elektronische Endgeräte in Funktionstextilien mit Strom.

Entscheidend für die Leistungsverbesserung dieser tragbaren Elektronik war die mikrofluidische Herstellung des Elektrodenmaterials. Nur so ließ sich die perfekte Nanostruktur aufbauen, so die Autoren.

Originalveröffentlichung:
Su Chen et al.; "Hierarchical Micro‐Mesoporous Carbon‐Framework‐Based Hybrid Nanofibres for High‐Density Capacitive Energy Storage"; Angewandte Chemie International Edition; 2019

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