Um Superkondensatoren intelligente Kleidung oder elektronisches Papier fit zu machen, arbeiten Chunyi Zhi von der City University of Hong Kong und Kollegen an immer stärker 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.
So wird der Elektrolyt biegsam
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 seine intrinsische Dehnbarkeit und Komprimierbarkeit”, erklärt Zhi.
Superkondensator im Stresstest
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 dieser Polyelektrolyt daher interessant sein.
