Schnelle Stromspeicher aus Zelluloseschaum

Superkondensatoren können gespeicherten Strom sehr schnell abgeben und wieder aufgeladen werden. Dabei können sie in kürzester Zeit mehr Leistung bereitstellen als Batterien und sind daher für kurze Beschleunigungsphasen von Elektroautos interessant. Um möglichst leichte Superkondensatoren herzustellen, nutzten Wissenschaftler nun einen extrem porösen Schaum aus nanostrukturierter Zellulose. Wie sie in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ berichten, kann diese federleichte Material nachhaltig aus Holz oder Strohabfällen gewonnen werden.

„Zellulose, ein nachwachsender Rohstoff, ist ein Schritt hin zu grünen, aber dennoch hoch entwickelten technischen Anwendungen“, sagt Emily Cranston von der McMaster University in Hamilton nahe Toronto. Zusammen mit ihren Kollegen nutzte die Chemieingenieurin ein nanostrukturiertes Zellulosematerial, das wegen seines extrem porösen Aufbaus nur gut fünf Milligramm pro Kubikzentimeter wiegt. Diese winzigen Zellulosenanokristalle mischten sie in einer wässrigen Flüssigkeit mit elektrisch leitfähigen Substanzen aus Polypyrrolfasern, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Nanoteilchen aus Mangandioxid. Dank zahlreicher Wasserstoffbrückenbindungen verknüpften sich diese winzigen Partikel mit der Zellulose.

Leitfähiger Zelluloseschaum

Diese Mischung ließen die Forscher bei minus vier Grad Celsius gefrieren, um die Porösität über wachsende Eiskristalle weiter zu erhöhen. Nach einer Gefriertrockung entstand ein elektrisch leitfähiger und extrem leichter Schaum. Um dieses auch Aerogel genannte Material auf seine Eignung für Superkondensatoren mit möglichst hoher Ladedichte zu überprüfen, pressten Cranston und Kollegen jeweils zwei kleine Schaumblöcke, voneinander durch eine Membran getrennt, in eine münzgroße Knopfzelle. Diese konnten innerhalb von Sekunden relativ viel elektrische Ladung von bis zu 2,5 Coulomb pro Gramm aufnehmen und wieder abgeben. Besonders der Zelluloseschaum mit Manganoxidnanopartikeln zeichnete sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit aus und verlor nach zweitausend Ladezyklen nur wenige Prozent seiner Speicherkapazität.

Leichte Superkondensatoren mit hoher Ladedichte werden auch aus metallischen Schäumen, etwa aus Nickel, hergestellt. Doch Zelluloseschäume könnten nach diesen ersten Ergebnissen noch leichtere Kurzzeitstromspeicher ermöglichen. Zudem lässt sich der flexible Schaum in beliebige Formen pressen, um Superkondensatoren elegant in ein Elektromobil integrieren zu können. Dieser Ansatz könnte auch für Forscher vom Batterieforschungszentrum der Universität Münster interessant sein, die ebenfalls an Superkondensatoren arbeiten. Ein Ziel ist es dabei, eine hohe Energiedichte von bis zu zehn Wattstunden pro Kilogramm bei gleichzeitig hoher Zyklenfestigkeit zu erreichen.