"Frittiertes" Graphen für bessere Akkus nutzbar

Um Graphen besser für Stromspeicher wie Akkus nutzbar zu machen, setzen südkoreanische Forscher darauf, das Kohlenstoffmaterial quasi zu „frittieren“. Denn bei diesem Prozess entstehen von selbst sphärische Strukturen, die mit einem Pompon Ähnlichkeit haben.

Das bedeutet eine große Oberfläche. Zudem bietet sich das Verfahren an, um Nano-Pompons mit eingebettetem Silizium zu fertigen. Diese sind für den Einsatz in Akku-Elektroden interessant – nicht zuletzt, da die Fertigungsmethode relativ gut auf kommerziellem Maßstab funktionieren sollte.

Graphen hat sehr gute Materialeigenschaften und ist daher interessant für Elektroden. Doch dafür muss das zunächst zweidimensionale Kohlenstoffmaterial in eine dreidimensionale Struktur gebracht werden. Ein Ansatz dafür sind Mikrokugeln, die bislang meist Hohlkugeln oder zerknülltem Papier ähneln.

Das Team um Sang-Hoon Park, Materialwissenschaftler an der Yonsei University http://yonsei.ac.kr/eng hat nun winzige Pompons geschaffen. Das bietet Park zufolge den Vorteil, dass die freie Oberfläche relativ groß ist und zugleich Kanäle für die Ladungsübertragung entstehen. Der Trick: Die Forscher spritzen gelöstes Graphen in eine Art Fritteuse.

Heiße Selbstsanordnung

Zum Einsatz kommt eine wässrige Graphenoxidlösung, die per Ultraschalldüse in Mikrotropfen zerstäubt und in ein 160 Grad heißes Gemisch aus organischem Lösungsmittel und Ascorbinsäure eingespritzt wird. Das Graphenoxid wird darin wieder zu Graphen, das Wasser verdampft schlagartig. „Wir denken, dass dieses schnelle Verdampfen dazu führt, dass sich die Graphen-Nanoschichten radial nach außen anordnen“, so Park. Genau diese Pompon-ähnliche Selbstanordnung macht die resultierenden, rund fünf Mikrometer großen Kügelchen so interessant.

Die reinen Graphen-Mikrokugeln sind für Superkondensatoren geeignet, da sie eine höhere Kapazität als herkömmliches Graphen ermöglichen. Enthält die ursprüngliche Mischung auch Silizium, ist das Resultat wiederum interessant für Lithium-Ionen-Akkus. Denn dort gilt Silizium als vielversprechendes Anodenmaterial, um mehr Strom zu speichern. Allerdings schwillt Silizium beim Aufladen stark an und kontrahiert beim Entladen entsprechend, was ein großes Problem für die Haltbarkeit ist. Ist das Halbleitermaterial in einen Graphen-Pompon eingebettet, federt dieser die Volumensänderung ab.

Nicht weltbewegend, doch einfach

Wirklich spannend ist an der Entwicklung aber gar nicht die erreichbare Kapazität. Denn die der Pompon-Elektroden ist vergleichbar mit anderen 3D-Materialien aus Graphen, so Shu-Hong Yu, Nanowissenschaftler an der University of Science & Technology of China http://en.ustc.edu.cn  , gegenüber „Chemical & Engineering News“. Einen wirklichen Vorteil des Graphen-Frittierens ortet er darin, dass das Verfahren im Vergleich zu anderen Fertigungsmethoden „direkt, einfach, und viel leichter für industriellen Anwendungen hochskalierbar“ sei. Ein zweiter Vorteil ist, dass die Fertigung von Nanokompositen mit funktionellen Nanopartikeln leicht ist, wie das Beispiel Silizium zeigt.