Lehmähnliches Material 02.12.2014, 06:55 Uhr

MXene: Weg frei für Superbatterien

Per Zufall haben US-Forscher ein Material entdeckt, aus dem sich leistungsfähige Elektroden herstellen lassen. Wegen seiner lehmartigen Konsistenz kann es leicht und schnell verarbeitet werden.

Vor dem Einweichen in Wasser ähnelt das neuartige MXene Kohlekrümeln.

Vor dem Einweichen in Wasser ähnelt das neuartige MXene Kohlekrümeln.

Foto: Drexel University

Mit einem lehmähnlichen Material will Professor Michael Barsoum Batterien und Superkondensatoren auf die Sprünge helfen. Es besteht aus unzähligen Titan-Karbid-Plättchen, die wie Spielkarten übereinandergestapelt sind. Jedes Plättchen ist nur so dick wie ein einziges Molekül – vergleichbar dem Graphen, das allerdings noch eine Spur dünner ist und aus Kohlenstoffatomen besteht.

Was überraschende Eigenschaften angeht kann der Speziallehm, MXene genannt, durchaus mit Graphen mithalten. Er ist leitfähig wie ein Metall, trotzt hohen Temperaturen wie eine Keramik und lässt sich, mit Wasser vollgesogen, ausrollen wie ein Plätzchenteig. Weil er zudem wegen des schichtweisen Aufbaus eine große innere Oberfläche hat, ist er bestens geeignet als Elektrode für Hochleistungsbatterien oder schnell aufladbare Supercaps. So werden Kondensatoren genannt, die besonders viel elektrische Energie speichern können.

Besser als Graphen

„Wenn das Material angefeuchtet wird, schieben sich die Wassermoleküle zwischen die Titankarbidplättchen“, sagt Barsoum. „Es wird formbar wie Lehm.“ Damit ist es leichter zu bearbeiten als Graphen, das ähnlich gut geeignet sei als Elektrode, aber Wasser abweise. Außerdem benötige MXene keine Bindemittel.

MXene lässt sich, eingehüllt in zwei Folien, zu einem dünnen Film auswalzen.

MXene lässt sich, eingehüllt in zwei Folien, zu einem dünnen Film auswalzen.

Foto: Drexel University

MXene sind eine Art Unterfamilie einer Stoffgruppe namens MAX, wobei das M für Metall, das A für Elemente der A-Gruppe im Periodensystem und das X für Kohlen- und/oder Stickstoff steht. Barsoum hat diese Materialien vor nahezu einem Vierteljahrhundert entdeckt und beschrieben. Seitdem arbeitet der Materialforscher an der Drexel University in Philadelphia daran, das Material technisch einzusetzen. Jetzt glaubt er, den Durchbruch geschafft zu haben.

Aus MAX wird MXene

Dabei kam ihm der Zufall in Gestalt eines Doktoranden zu Hilfe. Michael Ghidiu experimentierte mit MAX-Materialien, aus denen sich MXene herstellen lassen. Dazu muss Aluminium herausgeätzt werden. Das geschah üblicherweise mit höchst aggressiver Flusssäure. Ghidium ersetzte sie durch leichter handhabbare Fluoride und Salzsäure. Um die Reaktion abzubrechen spülte er das Material mit Wasser und staunte nicht schlecht, als es sich vollsaugte. MAX hatte sich in ein Wasser liebendes MXene verwandelt.

Bisher dauerte es einen ganzen Tag, eine Elektrode aus wasserscheuem MXene herzustellen. Mit dem neuen Material gelingt dies innerhalb von 15 Minuten.

Bisher dauerte es einen ganzen Tag, eine Elektrode aus wasserscheuem MXene herzustellen. Mit dem neuen Material gelingt dies innerhalb von 15 Minuten.

Foto: Drexel University

Bisher dauerte es einen ganzen Tag, eine Elektrode aus „wasserscheuem“ MXene herzustellen, so Ghidiu. Mit dem neuen Material sei sie innerhalb von 15 Minuten fertig. Das Material hat zudem die Fähigkeit, selbst Energie zu speichern, und zwar dreimal so viel wie bisher.

Sekundenschnelles Laden und Entladen

Auf Anhieb ermittelten die Forscher eine Kapazität von 900 Farad pro Kubikzentimeter. „Das ist mehr als die meisten anderen Werkstoffe schaffen“, so Maria Lukatskaya, ebenfalls Doktorandin bei Barsoum. Nach 10.000 Lade- und Entladevorgängen habe sich die Kapazität noch nicht verändert. Eine derart hohe Zahl ließ sich in kurzer Zeit erreichen, weil Laden und Entladen jeweils nur Sekunden braucht.

Jetzt wollen die Wissenschaftler einen industrietauglichen Produktionsprozess entwickeln, um Elektroden und Supercaps gewissermaßen am Fließband herstellen zu können.

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