Aerogele: Hoch poröse Stoffe für den Einsatz in Batterien

Innere Struktur eines typischen Kohlenstoff-Aerogels: Kleinste graphitische Kügelchen sind miteinander zu perlenkettenartigen Strukturen verschmolzen. Rasterelektronenmikroskopisches Bild: Brandt

Aerogele sind hoch poröse Materialien, die viele Anwendungsmöglichkeiten bieten. Physiker von der Universität Würzburg arbeiten derzeit an der Verwirklichung sehr reiner und grob poröser Kohlenstoff-Aerogele. Diese gelten als hervorragende Kandidaten für den Einsatz in der Energietechnik.

In der Technik trifft man häufig auf das Problem, dass in einem kleinen Volumen eine möglichst große Oberfläche zur Verfügung stehen muss. Realisiert wird dieses Ziel meist durch poröse Feststoffe – so beispielsweise im Kfz-Katalysator und in Batterie-Elektroden sowie bei der Trennung von Gasen und der Wasserreinigung.

Die verschiedenen Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die porösen Materialien. Besonders wichtig sind die Dichte, die elastischen Eigenschaften, die elektrische und thermische Leitfähigkeit, die Porengrößen und die Oberfläche pro Volumeneinheit.

Mit einem innovativen Verfahren zur Herstellung feinstporöser Materialien beschäftigt sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jochen Fricke am Physikalischen Institut der Uni Würzburg. Die Wissenschaftler lösen dazu geeignete Ausgangsmoleküle in Wasser. Durch die Zugabe eines Katalysators verbinden sich die Moleküle zunächst zu winzigen Kügelchen, die sich dann wiederum zu perlenkettenartigen Strukturen zusammenlagern. Auf diese Weise entsteht ein Gel, das anschließend durch Trocknung in einen hoch porösen Feststoff – das Aerogel – umgewandelt wird.

Entscheidend bei diesem „Sol-Gel-Verfahren“ ist die Tatsache, dass die Eigenschaften des Aerogels durch die Auswahl und Menge der Ausgangssubstanzen beeinflusst werden können. So lässt sich beispielsweise die Porengröße sehr stark variieren: Möglich sind feinste Poren mit einem Durchmesser von nur rund fünf Millionstel Millimeter (Nanometer), aber auch Poren, die schon mit bloßem Auge sichtbar sind.

Für die volumenspezifischen Oberflächen lassen sich mit Aerogelen enorme Werte erzielen: Bis zu 2.000 Quadratmeter Fläche finden in nur einem Kubikzentimeter Platz! Abhängig vom Gefäß, in dem das Sol-Gel-Verfahren abläuft, können zudem beliebige Gelformen realisiert werden.

In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützten Projekt untersuchen die Würzburger Physiker, welchen Einfluss Art und Menge des verwendeten Katalysators auf die entstehenden Strukturen und Materialeigenschaften bei organischen und graphitischen Aerogelen ausüben. Sie hoffen insbesondere, sehr reine Kohlenstoff-Aerogele mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und Stabilität herstellen zu können. Diese Aerogele sind für den Einsatz als Elektrodenmaterial in Primär- und Brennstoffzellen sowie in Superkondensatoren bestimmt.

Weiterhin eignen sich Kohlenstoff-Aerogele auch als ausgezeichnete Wärmedämmstoffe, denn sie besitzen eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Wegen ihrer schwarzen Farbe sind sie auch besonders gut dazu geeignet, alle Arten von elektromagnetischer Strahlung (Licht, Infrarot, Mikrowellen) effizient zu absorbieren.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Jochen Fricke, T (0931) 888-5740, Fax (0931) 888-5158, E-Mail: fricke@physik.uni-wuerzburg.de

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Robert Emmerich idw

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