Winzige Drähte könnten für einen großen Energieschub sorgen

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Tragbare elektronische Geräte zur Gesundheits- und Fitnessüberwachung sind ein schnell wachsender Bereich der Unterhaltungselektronik. Eine ihrer größten Einschränkungen ist die Kapazität ihrer winzigen Batterien, genügend Energie für die Datenübertragung zu liefern. Jetzt haben Forscher am MIT und in Kanada einen vielversprechenden neuen Ansatz gefunden, um die kurzen, aber intensiven Stromstöße zu liefern, die solch kleine Geräte benötigen.

Der Schlüssel liegt in einem neuen Ansatz zur Herstellung von Superkondensatoren – Geräten, die elektrische Energie in solchen Stößen speichern und abgeben können, die für kurze Datenübertragungen von tragbaren Geräten wie Herzfrequenzmessern, Computern oder Smartphones benötigt werden, sagen die Forscher. Sie können auch für andere Anwendungen nützlich sein, bei denen hohe Leistung in kleinen Mengen benötigt wird, beispielsweise für autonome Mikroroboter.

Der neue Ansatz verwendet Garne aus Nanodrähten des Elements Niob als Elektroden in winzigen Superkondensatoren (bei denen es sich im Wesentlichen um Paare elektrisch leitender Fasern mit einem Isolator dazwischen handelt). Das Konzept wird in einem Artikel in der Zeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces vom MIT-Professor für Maschinenbau Ian W. Hunter, dem Doktoranden Seyed M. Mirvakili und drei weiteren Personen von der University of British Columbia beschrieben.

Nanotechnologieforscher arbeiten seit einem Jahrzehnt daran, die Leistung von Superkondensatoren zu steigern. Unter den Nanomaterialien haben kohlenstoffbasierte Nanopartikel – wie Kohlenstoffnanoröhren und Graphen – vielversprechende Ergebnisse gezeigt, sie leiden jedoch unter einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit, sagt Mirvakili.

In dieser neuen Arbeit haben er und seine Kollegen gezeigt, dass wünschenswerte Eigenschaften für solche Geräte, wie z. B. eine hohe Leistungsdichte, nicht nur für Nanopartikel auf Kohlenstoffbasis gelten und dass Niob-Nanodrahtgarn eine vielversprechende Alternative darstellt.

„Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Art tragbares Gesundheitsüberwachungssystem“, sagt Hunter, „und es muss Daten, beispielsweise über WLAN, über große Entfernungen übertragen.“ Derzeit können die in vielen kleinen elektronischen Geräten verwendeten münzgroßen Batterien nur sehr begrenzt die große Leistung auf einmal liefern, die für solche Datenübertragungen erforderlich ist.

„Wi-Fi über große Entfernungen erfordert eine ganze Menge Strom“, sagt Hunter, George N. Hatsopoulos-Professor für Thermodynamik am Department of Mechanical Engineering des MIT, „aber es wird möglicherweise nicht sehr lange benötigt.“ Kleine Batterien seien für einen solchen Energiebedarf im Allgemeinen schlecht geeignet, fügt er hinzu.

„Wir wissen, dass es sich um ein Problem handelt, mit dem eine Reihe von Unternehmen im Bereich Gesundheitsüberwachung oder Trainingsüberwachung konfrontiert sind. Eine Alternative besteht also darin, auf eine Kombination aus Batterie und Kondensator umzusteigen“, sagt Hunter: die Batterie für langfristige Funktionen mit geringem Stromverbrauch und der Kondensator für kurze Spitzen mit hoher Leistung. Eine solche Kombination sollte in der Lage sein, entweder die Reichweite des Geräts zu erhöhen oder – was auf dem Markt vielleicht wichtiger ist – die Größenanforderungen deutlich zu reduzieren.

Der neue Superkondensator auf Nanodrahtbasis übertrifft die Leistung bestehender Batterien und nimmt dabei ein sehr kleines Volumen ein. „Wenn Sie eine Apple Watch haben und ich 30 Prozent an Masse einspare, merken Sie es vielleicht gar nicht“, sagt Hunter. „Aber wenn man die Lautstärke um 30 Prozent reduziert, wäre das eine große Sache“, sagt er: Verbraucher reagieren sehr sensibel auf die Größe tragbarer Geräte.

Laut Hunter ist die Innovation besonders für kleine Geräte von Bedeutung, da andere Energiespeichertechnologien – wie Brennstoffzellen, Batterien und Schwungräder – tendenziell weniger effizient oder einfach zu komplex sind, um praktisch zu sein, wenn sie auf sehr kleine Größen reduziert werden. „Wir sind an einem optimalen Punkt“, sagt er, mit einer Technologie, die große Leistungsschübe aus einem sehr kleinen Gerät liefern kann.

Im Idealfall, sagt Hunter, wäre es wünschenswert, eine hohe volumetrische Leistungsdichte (die in einem bestimmten Volumen gespeicherte Energiemenge) und eine hohe volumetrische Energiedichte (die in einem bestimmten Volumen gespeicherte Energiemenge) zu haben. „Niemand hat herausgefunden, wie das geht“, sagt er. Mit dem neuen Gerät „haben wir jedoch eine relativ hohe volumetrische Leistungsdichte, eine mittlere Energiedichte und niedrige Kosten“, eine Kombination, die für viele Anwendungen gut geeignet sein könnte.

Niob ist laut Mirvakili ein recht häufig vorkommendes und weit verbreitetes Material, daher sollte das gesamte System kostengünstig und einfach herzustellen sein. „Die Herstellungskosten sind günstig“, sagt er. Andere Gruppen haben ähnliche Superkondensatoren aus Kohlenstoffnanoröhren oder anderen Materialien hergestellt, aber die Niobgarne sind stärker und 100-mal leitfähiger. Insgesamt können Superkondensatoren auf Niobbasis bis zu fünfmal so viel Strom in einem bestimmten Volumen speichern wie Versionen mit Kohlenstoffnanoröhren.

Niob hat außerdem einen sehr hohen Schmelzpunkt – fast 2.500 Grad Celsius – sodass aus diesen Nanodrähten hergestellte Geräte möglicherweise für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen geeignet sein könnten.

Darüber hinaus ist das Material hochflexibel und könnte zu Stoffen verwoben werden, was tragbare Formen ermöglicht; Einzelne Niob-Nanodrähte haben einen Durchmesser von nur 140 Nanometern – 140 Milliardstel Meter im Durchmesser oder etwa ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares.

Bisher wurde das Material nur in Geräten im Labormaßstab hergestellt. Der nächste Schritt, der bereits im Gange ist, besteht darin, herauszufinden, wie eine praktische, leicht herzustellende Version entworfen werden kann, sagen die Forscher.

„Die Arbeit ist von großer Bedeutung für die Entwicklung intelligenter Stoffe und zukünftiger tragbarer Technologien“, sagt Geoff Spinks, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Wollongong in Australien, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. Dieses Papier, fügt er hinzu, „demonstriert überzeugend die beeindruckende Leistung von Faser-Superkondensatoren auf Niobbasis.“

Zum Team gehörten auch der Doktorand Mehr Negar Mirvakili und die Professoren Peter Englezos und John Madden, alle von der University of British Columbia.

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