Polyacrylamid-Hydrogel
Hydrogel macht Superkondensatoren hochelastisch
Chinesische Forscher haben ein Polyelektrolytmaterial für Superkondensatoren vorgestellt, durch das diese bis zum Zehnfachen ihrer Länge gestreckt und bis auf die Hälfte ihrer Dicke komprimiert werden können. Zusätzlich bringt das Material mehr Kapazität.
Als Brückentechnologie zwischen wiederaufladbaren Batterien und normalen Kondensatoren, verfügen Superkondensatoren über eine hohe Energie- und Leistungsdichte und eine hohe Lade- und Entladekapazität. Deshalb eignen sie sich ideal für die Bremsenergie-Rekuperation in elektrischen Fahrzeugen oder als Speicherpuffer in Windenergieanlagen oder als Akku in elektronischen Kleingeräten.
Für Einsatzbereiche wie in Wearables, elektronischem Papier oder intelligenter Kleidung mangelt es noch an der Flexibilität. Chunyi Zhi von der City University of Hong Kong und Kollegen stellen in der Zeitschrift für Angewandte Chemie einen Polyelektrolyten für Superkondensatoren vor, der sich auf das Zehnfache seiner Länge dehnen und auf die Hälfte seiner Dicke zusammenpressen lässt, ohne Spuren von Beanspruchung zu zeigen.
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.
Der funktionsfähige 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.
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. In künftigen Entwicklungen von in Stoffen und Papier integrierter Elektronik könnte dieser Polyelektrolyt zum Einsatz kommen.
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