Mit Hydrogelen aus Graphen zu neuen Hochleistungselektroden

Das solvatisierte Graphengerüst zeigt eine deutlich bessere Lithiumdiffusion als festes Graphit bei gleichblebenden elektronischen Eigenschaften des Graphens / Bildquelle: Wiley-VCH

Wie kann man die Elektroden von Batterien und Akkumulatoren effizienter machen? In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen amerikanische Wissenschaftler solvatisierte Strukturen aus Graphen vor, die als robustes, hoch leistungsfähiges Material für die Anode dienen können. In eine Lithiumknopfzelle eingespannt, zeigte eine derartig aufgebaute Elektrode eine deutlich bessere Kapazität als das gängige Graphit.

Wie leistungsfähig Lithiumionenakkumulatoren sind, hängt vor allem von den Materialien ab, aus denen die Elektroden aufgebaut sind. Nicht nur die Leitfähigkeit muss hoch sein, auch die Porosität ist extrem wichtig, um eine rasche Diffusion der Lithiumionen während der Lade-/Entladezyklen zu gewährleisten. Üblicherweise wird Kohlenstoff in seiner Graphitform verwendet. Xiangfeng Duan sieht bei Graphit jedoch Nachteile für künftige Anforderungen, denn es besitze eigentlich nur eine geringe theoretische Kapazität und keine besonders guten Lade-/Entladeeigenschaften

Dagegen bietet das nur aus einer Kohlenstoffatomlage bestehende Graphen eine riesige Oberfläche und ist mechanisch hoch flexibel. Es ist jedoch schwierig, Graphen ohne Aggregation, das heißt ohne Verlust an der Fläche, in eine dreidimensionale Elektrodenstruktur zu verpacken. In diesem Zusammenhang haben Duan und seine Arbeitsgruppe an der University of California ein hydratisiertes Graphengel hergestellt, das sich in stabile poröse 3D-Strukturen mit exzellenten Elektrodeneigenschaften umwandeln lässt.

Die Wissenschaftler setzten nach einem chemisch-physikalisches Hydrothermalverfahren Graphenoxidpulver in ein Hydrogel um, das so stabil ist, dass es in Würfelform frei stehen kann. An diesem Würfel tauschten die Forscher die Wassermoleküle einfach mit ionischen Flüssigkeiten oder organischen Lösungsmitteln aus. Das somit hergestellte solvatisierte Graphengerüst ließ sich zu Elektroden zum Beispiel für die Lithium-Knopfzelle pressen. Weil es seine Porosität beibehielt, zeigten diese Elektroden eine deutlich bessere Lithiumdiffusion als das feste Graphit, und das bei den hervorragenden elektronischen Eigenschaften des Graphens.

Im Vergleich mit Aerogelen, das heißt trockenen porösen Graphengerüsten, schnitt das neuartige solvatisierte Gerüst ebenfalls besser ab. Aber auch den allgemeinen Aspekt ihrer Forschung möchten die Wissenschaftler hervorheben: Nicht nur für die Batterietechnologie böten solche dreidimensionale Graphenstrukturen große Vorteile. Die neuen Ergebnisse ermöglichten allgemein fundamentale Erkenntnisse für die künftige Konzeption und Synthese von Graphenmaterialien für die Energiespeicherung und weitergehenden Technologien.

Autor: Xiangfeng Duan, University of California, Los Angeles (USA)

http://dx.doi.org/10.1002/ange.201500677

http://xduan.chem.ucla.edu/