Elektrotechnik : Im Papier steckt die Kraft

Nanoröhre plus Papier ergibt flexible Batterie

Katherine Sanderson

Kleine, hauchdünne und flexible Batterien auf Papierbasis sind das neueste Produkt der Forschung auf dem Gebiet der Kohlenstoffnanoröhren.

Wissenschaftlern gelang es, auf der Basis von Cellulose ein elektronisches Bauteil herzustellen - Cellulose ist normalerweise der Rohstoff für Papier. Pulickel Ajayan und seine Kollegen vom Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, stellten nun aus diesem Material eine Batterie her, indem sie Kohlenstoffnanoröhren als Elektroden darin einbetteten (1).

Das klingt einfach, erwies sich aber in der praktischen Umsetzung als durchaus knifflig. Cellulose ist unlöslich in nahezu allen Lösungsmitteln, was die Einbettung der Nanoröhren erschwerte. Um die holzigen Fasern aufzulösen, nutzte Ajayan daher eine ionische Flüssigkeit als Lösungsmittel.

Ist auf diese Weise eine Cellulose-Nanoröhren-Haut entstanden, kann die ionische Flüssigkeit vollends wieder entfernt werden; zurück bleibt ein Stück Papier, das zurecht geschnitten werden kann, das sich biegen, aufrollen oder verdrehen lässt und dabei doch immer wieder in seine ursprüngliche Form zurückspringt. Beschichtet man dieses Papier mit einer dünnen Lithiumschicht, erhält man eine Batterie.

Verbleibt ein Rest der ionischen Flüssigkeit in dem Nanopapier, entsteht aus einem Stapel dieser Papiere quasi ein Doppelschicht-Kondensator.

Eine Kompromisslösung

Batterien wie auch Doppelschicht-Kondensatoren haben ihre Vorteile. Batterien können mehr Energie speichern, allerdings können sie Elektronen erst aufgrund einer chemischen Reaktion ableiten. In Doppelschicht-Kondensatoren hingegen laufen elektrostatische Reaktionen ab, so dass sie schneller geladen und entladen werden können.

Ajayan sieht in seinem Papier die Basis für eine Kompromisslösung zwischen diesen beiden Energiequellen, einfach, indem man einen Rest von der Ionischen Flüssigkeit in dem Papier belässt. "Das scheint die Möglichkeit eines idealen Kompromisses zu sein", meint er. Die Speicherfähigkeiten von Batterien und die Ladefähigkeiten von Kondensatoren lassen sich hierdurch kombinieren. "Ein Bauteil, das imstande ist, eine Menge wertvoller Elektrizität zu speichern, die sich sehr schnell ableiten lässt", erklärt er.

Testreihen mit dem Nanopapier haben gezeigt, dass es innerhalb eines großen Temperaturbereichs funktioniert; es verformt sich auch nicht, wenn man es einfriert und wieder auftaut. Bei Zimmertemperatur kann das Bauteil je Kilogramm 13 Kilowattstunden liefern - viel weniger als herkömmliche Nickel-Cadmium-Zellen oder Lithium-Akkus, allerdings mehr als doppelt so viel wie ein Doppelschicht-Kondensator produzieren kann. Ajayan sagt eine kommerzielle Nutzung innerhalb weniger Jahre voraus.

(1) Pushparaj, V.L. et al. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 104, 13574-13577 (2007).

Dieser Artikel wurde erstmals am 13.8.2007 bei news@nature.com veröffentlicht. doi: 10.1038/news070813-3. Übersetzung: Sonja Hinte. © 2007, Macmillan Publishers Ltd

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