Silizium-Chip für höhere Batterieleistung
Für Nutzer von Mobiltelefonen, aber auch andere mobile Anwendungen wie autonome Fahrzeuge sind hochleistungsfähige Akkus unerlässlich. Elektrochemische Hochleistungs-Speichergeräte können dabei großen Batterien zusätzliche Energie liefern und die Leistung steigern. Das EU-finanzierte Projekt IONACES entwickelten mit Superkondensatoren (elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren bzw. EDLC) ein Verfahren, um Siliziumchips als Mikro-Superkondensatoren für zahlreiche Anwendungen einzusetzen. "Die Batterie eines Elektroautos funktioniert autonom, je nachdem, wie lange es fahren soll. Für schnelles Beschleunigen muss die Leistung aber zum Beispiel einige Sekunden lang gesteigert werden, was ein Superkondensator übernehmen könnte", erklärt IONACES-Projektkoordinator Patrice Simon, Professor für Materialwissenschaften an der Paul-Sabatier-Universität in Toulouse, Frankreich. Während der Ladevorgang bei einer standardmäßigen Lithiumbatterie 2-3 Stunden dauert, kann eine Supercap (wie Superkondensatoren auch bezeichnet werden) ihre gesamte Energie in 10 Sekunden liefern und sich in Sekunden- oder Minutenschnelle wieder voll aufladen. "Das ist ein enormer Energieschub", sagt Professor Simon. Grundlagenforschung zur Akkuleistung Wie das Team zeigte, kann eine hervorragende Akkuleistung durch reversible Ionenabsorption in kleinen Poren mit weniger als einem Nanometer Durchmesser in den porösen Kohlenstoffelektroden erreicht werden. Hierzu wurde aber noch nicht hinreichend geforscht. Superkondensatoren speichern Energie durch Akkumulation positiver und negativer Ionen in den positiven und negativen porösen Kohlenstoffpulvern, die als Elektroden fungieren. "Man beschichtet die Kohlenstoffoberfläche mit Ionen und entfernt sie für das Auf- und Entladen", erklärt Professor Simon. Diese Löcher haben eine größere Oberfläche, da die Wand der Poren hinzukommt. Auf diese Weise sind sie bis zu 1.000 Mal größer als eine glatte Kohlenstoffoberfläche, sodass deutlich mehr Energie gespeichert werden kann. Größe der Kohlenstoffporen Auch die Porengröße selbst ist wichtig. "Wir können die Lade- und Entladezeiten der Supercaps verkürzen, indem wir einfach die Größe der Poren verändern", sagt Professor Simon. "Durch Verringerung um weniger als einen Nanometer können wesentlich mehr Ionen aufgenommen werden." Zwar war es Forschern bereits zuvor gelungen, die Porengröße auf weniger als zwei Nanometer zu reduzieren, Kohlenstoffmaterialien mit spezifischen Porengrößen waren allerdings noch nicht entwickelt worden. Das IONACES-Team löste diese Aufgabe nun mit einer anderen Methode der Kohlenstoffherstellung und produzierten Titancarbidkörner bzw. Mikropulver mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern in einer Chloratmosphäre. Dann wurde das Titan entfernt, sodass poröser Kohlenstoff übrig blieb. Mit diesem Prozess "lässt sich die Porengröße des Kohlenstoffs über Steuerung der Chlorierungstemperatur sehr genau kontrollieren", erklärt Professor Simon. Mikro-Superkondensatoren Bis die Mikro-Superkondensatoren auf einen Silizium-Chip passten, brauchte es vier Jahre Forschungsarbeit. "Nachdem wir mittels Spritztechnik eine Hartmetallschicht aus Titan auf den Chip aufgebracht hatten, erfolgte die Chlorierung", wie Professor Simon weiter ausführt. "Der Trick bestand darin, nach der Chlorierung die mechanische Integrität des Kohlenstofffilms auf dem Chip zu erhalten, was schließlich mit partieller Chlorierung erreicht wurde, damit die Schicht auf dem Chip nicht dicker wird." Aus den Forschungen ging ein Spin-off hervor, das den Prozess angepasst hat, um Natrium und Chlor aus Meerwasser zu entfernen, sodass Trinkwasserqualität erreicht wird. Vom Projektteam wurde dies für Entsalzungsanlagen patentiert.
Schlüsselbegriffe
IONACES, Materialien, Energie, Nanotechnologie, Batterieleistung, Entsalzung
