Bei dem Versuch einen neuen Batterietypen zu entwickeln, der Solarenergie in chemischen Verbindungen statt mit Hilfe von Elektronen speichert, haben Forscher der Universität von Massachusetts Amherst eigenen Angaben zufolge einen Durchbruch erzielt. Bei Bedarf werde die gespeicherte Energie in Form von Wärme und nicht als Strom freigesetzt. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ berichteten, bietet das neue Energiespeichersystem im Vergleich zu früheren Polymersystemen eine doppelt so hohe Speicherdichte.
Nach Angaben von Projektleiter Dhandapani Venkataraman liegt die Speicherdichte in einem herkömmlichen Polymersystem im Bereich von 200 Joule pro Gramm. Das neuentwickelte System erreichte im Durchschnitt 510 Joule pro Gramm, das Maximum lag bei 690 Joule pro Gramm. Damit nähert sich die Energiedichte des Systems der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien an. „Die Theorie besagt, dass wir 800 Joule pro Gramm erreichen können, aber niemand hat das bisher geschafft“, sagte Venkataraman. In der Veröffentlichung hätte sein Team gezeigt, dass es eine der höchsten gespeicherten Energiedichten pro Gramm in einem polymeren System erreicht hat und wie das gelungen sei.
Forscher entschieden sich für flexibles Polymer
Das Forschungsprojekt basiert auf einer früheren theoretischen Arbeit von Jeffrey Grossman vom MIT, die besagt, dass sich höhere Energiedichten erzielen lassen, wenn Azobenzol-Moleküle entlang starrer Kohlenstoffnanoröhren angeordnet werden. Dieser Rahmen würde es Wissenschaftlern erlauben, die molekularen Interaktionen zu manipulieren. So könne bestimmt werden, wie viel Energie aufgenommen und freigegeben werden kann.
Von dieser Theorie nahmen die Wissenschaftler mit, dass sich die Anordnung der Moleküle kontrollieren lässt. Sie entschieden sich jedoch für ein flexibles Polymer, vergleichbar mit einer Kette von Weihnachtslichtern. Die Lichter stehen hierbei für die Azobenzol-Moleküle. Da sich die Abstände zwischen den Molekülen bei Kohlenstoffnanoröhren nicht reduzieren lassen, setzten die Forscher auf die Struktur einer flexiblen Polymerkette. So sollten sich die Azobenzolgruppen annähern und interagieren können. Dabei nehmen sie Energie auf und werden stabiler.
Wahl des Lösungsmittels spielt wichtige Rolle
Die Idee funktionierte. So zeigte sich, dass der Abstand zwischen den ‚Lichtern‘ in der Polymerkette zwar wichtig ist, aber nicht das Wichtigste. Es sei wichtiger, dass die Ketten und ihre Lichter sorgfältig angeordnet werden, so Venkataraman. Eine besonders wichtige Rolle spielte Tetrahydrofuran (THF) als benutztes Lösungsmittel, mit dem die Architektur angeordnet und geregelt wird. Mit Hilfe von THF konnten die am Polymer haftenden Azobenzol-Moleküle einwandfrei und kompakt angeordnet werden. „Die Flüssigkeit stellt sicher, dass eine maximale Packungsdichte erreicht wird“, so der Projektleiter.