Winzige Sandwiches für den großen Energiehunger
Eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung sind bessere Energiespeicher. US-Forscher haben Nanostrukturen entwickelt, die die Vorteile von Batterien und Kondensatoren vereinen sollen.
- Katherine Bourzac
Eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung sind bessere Energiespeicher. Bis heute leiden sie an einem Kompromiss: Sie können nicht gleichzeitig eine große Speicherkapazität und eine hohe Abgabeleistung vereinen. Batterien speichern viel Energie bei geringer Leistung, während Kondensatoren wenig Energie speichern, diese aber mit hoher Leistung abgeben können.
Wissenschaftler an der Universität von Maryland haben nun einen Kondensator entwickelt, der beide Anforderungen erfüllen soll. Zwar handelt es sich noch um einen Prototyp, der nicht zur Massenfertigung taugt, aber die ersten Ergebnisse sind viel versprechend: Das Gerät kann bis zu 100 Mal mehr Energie speichern als herkömmliche Kondensatoren gleicher Größe.
Sollte das Konzept ein Erfolg werden, könnte es erneuerbare Energie aus schwankenden Quellen wie Windkraft oder Photovoltaik aufnehmen und erst bei Bedarf ins Stromnetz einspeisen. Für Elektroautos könnte sich zudem die Ladezeit von bis zu acht Stunden auf einige Minuten verkürzen – dieselbe Spanne, die Autofahrer heute zum Betanken mit Kraftstoff benötigen.
Seit Langem arbeiten Forscher daran, sowohl die Leistung von Batterien als auch die Speicherkapazität von Kondensatoren zu erhöhen. Der Chemiker Sang Bok Lee und der Ingenieur Gary Rubloff, der das NanoCenter an der Universität von Maryland leitet, wollen das Problem mit einer Nanoversion eines elektrostatischen Kondensators lösen. Diese einfachste Kondensatorvariante speichert elektrische Ladungen auf zwei gegenüberliegende Metallplatten, die durch eine isolierende Schicht, ein Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Ihre Kapazität ist dabei proportional zur Oberfläche der Metallplatten.
Um die zu vergrößern, bedient sich Lee Rubloff eines nanostrukturierten Materials: Die Elektroden sind nicht glatt wie in herkömmlichen Geräten, sondern bestehen aus unzähligen Röhrchen, die in genau dazu passende Nanoporen hineinragen.
Zunächst beschichten sie eine Glasplatte mit Aluminium. In das Metall ätzen sie dann mittels Säure und einer angelegten Spannung Poren hinein. Auf diese Weise können die Forscher äußerst regelmäßige Muster aus Poren herstellen, die einen Durchmesser von nur 50 Nanometern – Millionstel Millimetern – und eine Tiefe von bis zu 30 Mikrometern haben. Das Verfahren ähnelt der Photolithografie, mit der Computerchips hergestellt werden.
Nun geht es weiter: „Auf der Innenseite der Poren wird zuerst hauchdünn Metall aufgebracht, dann das isolierende Material und schließlich wieder das Metall“, erläutert Rubloff die nächsten Schritte. Es entsteht also ein Sandwich aus drei Schichten, das die Porenwand auskleidet - und den eigentlichen Kondensator bildet. Zuletzt werden die Poren wieder mit Aluminium versiegelt. Das und die untere Aluminiumschicht dienen als elektrische Kontakte. „Die fast fraktale Struktur vergrößert die Oberfläche enorm“, sagt Joel Schindall vom MIT-Labor für elektromagnetische und elektronische Systeme.
Der Prototyp, den die Gruppe aus Maryland kürzlich im Wissenschaftsjournal Nature Nanotechnology vorgestellt hat, besteht aus 125 Mikrometer breiten Anordnungen, die jeweils eine Million solcher Nanokondensatoren – also Sandwich-Strukturen in jeweils einer Pore – enthalten. Deren Oberfläche ist dabei 250 Mal größer als die eines herkömmlichen Kondensators derselben Abmessungen. Die Kapazität beträgt rund 100 Mikrofarad pro Quadratzentimeter.
