MXene: Das Laden dauert nur noch Sekunden
US-Forscher haben mit MXenen Materialien entwickelt, die so viel Strom Speichern wie Batterien und so schnell geladen werden wie Kondensatoren. Berliner Forscher fanden heraus, wie sich die Kapazität noch steigern lässt.
Foto: panthermedia.net/Andriy Popov
Vor- und Nachteile haben beide. Das Aufladen von Batterien dauert Stunden, doch ihre Kapazität ist hoch. Superkondensatoren sind dagegen sekundenschnell voll, haben aber einen geringen Energieinhalt. Jetzt zeichnet sich eine Lösung ab. Ein Zwitter vereinigt die positiven Eigenschaften beider Speicher. Er kommt nahe an Lithium-Ionen-Batterien heran, was die Kapazität angeht, und sie lassen sich blitzschnell aufladen.
Struktur der Superspeicher ähnelt der von Graphen
Die neuen Superspeicher sind zweidimensionale Titankarbide, so genannte MXene. Sie sind nur so dick wie ein einziges Molekül, vergleichbar dem Graphen. Viele dieser Folien übereinandergestapelt ergeben einen Stromspeicher, vorerst allerdings nur im Labormaßstab. Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin haben jetzt gemeinsam mit Kollegen an der Drexel University in Philadelphia gezeigt, dass die Kapazität der MXene sich durch eine ungewöhnliche Zugabe noch verbessern lässt: durch Einlagerung von Harnstoffmolekülen zwischen den Folien.
Chemische Speicherung wie bei Batterien
MXene sind hochleitfähige Materialien mit hydrophiler Oberfläche. In Wasser bilden sie Dispersionen, die an schwarze Tinte erinnern und auch als solche genutzt werden können. Die chemische Formel lautet Ti3C2Tx,, wobei Ti für Titan und C für Kohlenstoff steht. Hinter Tx verbergen sich unterschiedliche chemische Gruppen zur Versiegelung der Oberflächen, etwa OH-Gruppen. Während Superkondensatoren ihre Energie in Form von von elektrischen Ladungen speichern, geschieht das bei MXenen in Form von chemischen Bindungen an ihren Oberflächen.
Mit Bessy II ließ sich ein Rätsel lösen
Wie genau das funktioniert haben die HZB-Forscher Tristan Petit und Ameer Al-Temimy jetzt gemeinsam mit ihrem Drexel-Kollegen Yuri Gogotsi an Bessy II untersucht. Das ist das Berliner Elektronensynchrotron, ein Speicherring, in dem Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im Kreis herumflitzen. Wenn sie zwangsweise aus ihrer Bahn geworfen werden, erzeugen sie weiche Röntgenstrahlen, die für Materialuntersuchungen genutzt werden können.
Kapazität pro Fläche stieg um 56 %
Beim Vergleich von MXenen mit und ohne Harnstoffeinlagerung fanden sie „dramatische Unterschiede“, wie sie sagen. Die Kapazität pro Fläche stieg durch Harnstoff um stolze 56 Prozent auf 1100 Millifarad pro Quadratzentimeter an. An der Bessy-Experimentierstation X-PEEM beobachteten die Forscher, dass sich der Oxidationszustand der Titanatome an der Oberfläche durch die Anwesenheit von Harnstoff erhöhte. „Das könnte die Speicherung von mehr Energie erleichtern“, sagt Al-Temimy, also die Erklärung dafür sein, dass die Kapazität so stark zunimmt. Ehe aus den experimentellen Anordnungen wirklich nutzbare Stromspeicher, etwa für Elektroautos werden wird es noch eine Weile dauern.
Kondensatoren und Schaltkreise aus dem Drucker
Schon heute MXene in anderer Form nutzbar. Drexel-Forscher stellen daraus eine Art Tinte her, die auf Drucktechniken spezialisierte Kollegen des Trinity College in Irlands Hauptstadt Dublin nutzen, um beispielsweise kleine Superkondensatoren herzustellen, die auch Supercaps genannt werden. Das funktioniert auch mit anderen elektrisch leitenden Tinten, doch die schwarze Drexel-Brühe sei um eine Größenordnung besser, also etwa zehnmal so gut leitend. Sie übertrifft sogar Tinten auf der Basis von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Und es gibt noch einen Unterschied. Leitende Tinten benötigen enthalten Additive, die nach dem Druckvorgang entfernt werden müssen, etwa durch eine thermische Behandlung. „Unsre Tinte trocknet von ganz allein“, sagt Babak Anasori, Materialwissenschaftler an der Drexel University. Der Grund: MXene werden einfach in Wasser oder einem anderen Medium aufgelöst. Additive sind nicht nötig. Die Dubliner Forscher stellten mit der Drexel-Tinte außer Kondensatoren bereits elektronische Schaltkreise her.
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