Chinesische Wissenschaftler entwickeln Superkondensatoren aus nanofaseriger Cellulose, dem Hauptbestandteil des Zellwandmaterials von Holz. Dieser Rohstoff ist nicht nur umweltfreundlicher als bisherige Materialien, sondern auch überall verfügbar und preiswert.

Kohlenstoff-Aerogele aus Cellulose

Für die Elektromobilität werden derzeit Kohlenstoff-Aerogele als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren erforscht. Ein Forschungsteam um Shu-Hong Yu an der University of Science and Technology of China, Hefei (China) hat jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein Verfahren vorgestellt, wie ein solches Elektrodenmaterial auch nachhaltig produziert werden kann.

Superkondensatoren sind Kondensatoren, die sehr viel Energie in sehr kurzer Zeit aufnehmen und wieder freisetzen können. Die Elektroden in Superkondensatoren müssen eine große Oberfläche und ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweisen, und vor allem müssen sie einfach herzustellen sein. Kohlenstoff-Aerogele sind aufgrund ihrer Eigenschaften als Elektrodenmaterial besonders geeignet. Die bisherigen Produktionsverfahren bringen allerdings noch Nachteile mit sich: Ein Verfahren verwendet hauptsächlich phenolische Komponenten als Rohstoff. Diese sind zwar billig, aber schränken die Leitfähigkeit der Aerogele ein. Das andere Verfahren geht von Vorstufen aus Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhren aus. Die produzierten Aerogele sind von höchster Qualität, aber die Vorstufen und das Verfahren sind teuer und insgesamt wenig umweltfreundlich.

Neues Verfahren soll Nachhaltigkeit erhöhen

Yu war mit seinem Forschungsteam daher auf der Suche nach einem nachhaltigeren Verfahren. Sie stießen jetzt auf einen überall verfügbaren und deutlich preiswerteren Rohstoff: nanofaserige Cellulose. Cellulose-Nanofasern verleihen den pflanzlichen Zellwänden ihre Stabilität. Sie lassen sich in Reinform extrahieren und bilden ein technisch hochwertiges Material. Erst kürzlich haben Forscher herausgefunden, dass die Oxidation mit dem Radikalfänger TEMPO das Material in ein mikroporöses Hydrogel überführt. Durch Trocknen und Carbonisieren werden aus solchen Hydrogelen organische Aerogele. 

Das Verfahren gestaltete sich jedoch als schwieriger als gedacht. Eiskristallbildung und ungenügende Entwässerung verhinderten die Carbonisierung. Letztlich half es, das getrocknete Gel zusammen mit einem organischen Säurekatalysator namens para-Toluolsulfonsäure zu pyrolysieren. Der Katalysator senke die Zersetzungstemperatur und ermögliche, dass ein „mechanisch stabiles und poröses dreidimensionales Nanofaser-Netzwerk“ mit „großer spezifischer Oberfläche und hoher elektrischer Leitfähigkeit“ entstehe, so die Wissenschaftler.

Ihr Kohlenstoff-Aerogel aus Holz-Ausgangsstoffen könne auch als binderfreie Elektrode für Superkondensatoren eingesetzt werden. Ihre Leistungskennzahlen entsprächen denen kommerzieller Kohlenstoff-Aerogel-Elektroden. Nachhaltigkeit auch in elektronischen Hochleistungsbauteilen ist also durchaus möglich, wie das Forschungsteam eindrucksvoll zeigen konnte. (sih)

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. via Informationsdienst Wissenschaft