Forscher entwickeln Graphen

Forscher der North Carolina State University (NC State), der National Science and Technology Development Agency und des NSTDA Characterization and Testing Service Center in Thailand haben eine Kathode auf Graphenbasis in Form einer fadenförmigen Faser entwickelt. Anschließend konnten die Forscher mithilfe der Faser einen Prototyp einer Zink-Ionen-Batterie erstellen, der eine Armbanduhr mit Strom versorgen könnte.

Batterieprototyp mit fadenförmiger Kathode. Bild von der NCSU-Website

Die Proof-of-Concept-Studie ist ein Fortschritt in der Entwicklung einer faserförmigen Batterie, die letztendlich in Kleidungsstücke integriert werden könnte.

„Letztendlich wollen wir eine garnförmige Batterie herstellen, damit wir sie in ein echtes Kleidungsstück stecken und vorzugsweise verstecken können“, sagte der korrespondierende Autor der Studie, Wei Gao, außerordentlicher Professor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „In dieser Studie haben wir eine garnförmige Kathode geschaffen. Unsere Ergebnisse waren für einen so kurzen Faserstreifen ziemlich vielversprechend, und wir hoffen, diese Arbeit fortsetzen zu können, um die Leistung, Sicherheit und mechanischen Eigenschaften unserer Designs zu verbessern.“

Um die Kathode herzustellen, verwendeten die Forscher Graphen, um eine garnförmige Zink-Ionen-Batterie herzustellen. In ihrer Studie stellten die Forscher verschiedene Mangandioxid-Mikropartikel in verschiedenen Formen und Größen her. Anschließend formten sie mithilfe eines Lösungsspinnverfahrens eine Faser aus Graphenoxid mit darin eingebetteten Mangandioxidpartikeln. Sie untersuchten die elektrochemischen und anderen Eigenschaften der Fasern.

„Da wir versuchen, eine faserförmige Zink-Ionen-Batterie herzustellen, legen wir nicht nur Wert auf die Batterieleistung, sondern auch auf die mechanischen Eigenschaften – wir brauchen eine starke und gleichzeitig flexible Faser“, sagte Gao.

Forscher fanden heraus, dass die Form der Graphenoxid- und Mangandioxidmaterialien, die sie zur Herstellung der Kathode verwendeten, deren elektrochemische Funktion beeinflusste. Insbesondere fanden sie heraus, dass die kürzeren, stabförmigen Mangandioxid-Komponenten homogen mit dem Graphen vermischt waren, was es den Forschern ermöglichte, eine Faser herzustellen, die als funktionsfähiger Batterie-Prototyp dienen könnte. Im Vergleich dazu stellten sie fest, dass die Faser nicht in einer funktionsfähigen Batterie verwendet werden konnte, wenn das Mangandioxid die Form eines „Seeigels“ hatte.

„Wenn Graphen und Mangandioxid gut vermischt sind, kann man aus der Faser eine funktionsfähige Batterie herstellen“, sagte die Erstautorin der Studie, Nakarin Subjalearndee, eine ehemalige Doktorandin an der NC State. „Wenn das Mangandioxid die Form eines Seeigels hatte, bedeutete das, dass der Kathodenfaden eine raue Oberfläche hatte und nicht verwendet werden konnte.“

„Das stabförmige Mangandioxid lieferte uns die beste Leistung“, fügte Gao hinzu. „Diese Partikel ahmten die Konfiguration oder Geometrie der Faser nach, im Vergleich zu den seeigelförmigen Partikeln, die rund waren und alle möglichen Kanten nach außen zeigten.“ Sie störten die Stapelung der Graphenoxid-Nanoblätter innerhalb der Faser.“

Obwohl die Leistung der Batterie gering war, konnten die Forscher damit eine Armbanduhr mit Strom versorgen. Das Team möchte seine Arbeit fortsetzen, um die Leistung des Designs zu verbessern.

„Diese Studie zeigt, dass die Form und Größe der Zusatzstoffe in der Faser den Faserbildungsprozess von Graphenoxid beeinflusst“, sagte Gao. „Wir hoffen, dieses System weiterentwickeln zu können. Wir möchten, dass unser Design mit einer kommerziellen Batterie vergleichbar ist.“