Wände als Stromlieferanten: Normale Ziegelsteine lassen sich in Energiespeicher umwandeln, die beispielsweise Strom für die Außenbeleuchtung eines Hauses liefern. Möglich wird dies durch die Beschichtung des Ziegels mit einem leitfähigen Polymer. In Kombination mit dem im Ziegel enthaltenen Eisenoxid lässt sich der Backstein damit in einen Superkondensator umwandeln – einen elektrochemischen Energiespeicher, der besonders schnell lädt und entlädt.
Sie sitzen im Notebook, in der Digitalkamera und im Handy, aber auch in Windturbinen oder Defibrillatoren: Superkondensatoren werden oft ergänzend zu herkömmlichen Akkus eingesetzt, weil sie in kurzer Zeit viel Strom abgeben können. Sie gleichen dadurch Bedarfsspitzen aus. Zwar können diese „Supercaps“ weit weniger Energie speichern als ein Akku, dafür lassen sie sich schnell und fast unendlich oft wiederaufladen.
Möglich wird dies, weil in den Superkondensatoren zusätzlich zum Ladungstransport zwischen den beiden Polen auch Redoxreaktionen ablaufen, die für eine elektrochemische Auf- oder Entladung sorgen.
Warum ausgerechnet Ziegelsteine?
Jetzt belegt ein Experiment, dass sich sogar ein allgegenwärtiges Baumaterial zum Superkondensator machen lässt: der Ziegelstein. Diese schon vor 5.000 Jahren in China hergestellten Steine aus gebranntem Ton sind auch heute noch in vielen Häusern verbaut. Typischerweise enthalten sie Silikat, Aluminiumoxid und Hämatit (Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>), ein Eisenoxid, das den Ziegeln ihre rötliche Farbe verleiht.
Dieses Hämatit haben nun Hongmin Wang von der Washington University in St. Louis und seine Kollegen genutzt, um Ziegelsteine in Superkondensatoren umzuwandeln. Das Eisenoxid liefert dabei die Eisenionen, die für die Leitfähigkeit des Materials benötigt werden und die poröse Struktur des Backsteins bietet den Raum für das neue „Innenleben“ des elektrochemischen Ziegel-Kondensators.
Einfache Umwandlung im Ofen
Die Umwandlung ist verblüffend einfach: Dafür werden die Ziegelsteine in einen Ofen gelegt und in Gegenwart von Salzsäure bei 160 Grad erhitzt. Dies löst Eisenionen aus dem Ziegelmaterial heraus. Ebenfalls im Ofen steht ein Gefäß mit einer Lösung von 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT). Diese Substanz bildet den Ausgangsstoff für das leitfähige Polymer (PEDOT). Dieses entsteht, wenn das EDOT verdampft, mit den Eisenionen reagiert und dadurch Kettenmoleküle bildet.
Das Ergebnis dieser Nachbehandlung sind Ziegelsteine, deren zuvor körnige Mikrostruktur nun einem Gewirr winziger Spaghetti gleicht. Ihr Inneres ist von leitfähigen Nanofasern aus PEDOT durchzogen, die den Backstein zu einer Elektrode machen. „Das Polymer wirkt wie ein Ionenschwamm, der Elektrizität speichert und leitet“, erklärt Wangs Kollege Julio d’Arcy. Kombiniert man nun zwei dieser Ziegelsteine zusammen mit einem gelartigen Elektrolyt, entsteht ein Superkondensator.
„Diese Methode funktioniert mit ganz normalen Ziegelsteinen und sogar gebrauchten“, sagt d’Arcy. „Tatsächlich haben wir die Ziegelsteine für unsere Arbeit einfach im Baumarkt um die Ecke gekauft, für 65 Cent das Stück.“
Genug Strom für Außenbeleuchtung oder Sensoren
Doch was kann der Ziegelstein-Superkondensator? In ersten Tests mit einem Aufbau aus zwei Ziegeln und einem Gelelektrolyt luden die Forscher das System 15 Sekunden lang mit 4,5 Volt auf. Der Superkondensator erreichte damit eine Ausgabespannung von 2,68 Volt und konnte eine LED elf Minuten lang zum Leuchten bringen. Die einzelnen Backsteine bringen demnach noch nicht sonderlich viel an Leistung.
Nutzt man aber eine ganze Wand oder einen Teil davon, könnte es zumindest für einige Alltagsanwendungen reichen: „Man könnte beispielsweise Solarzellen mit den Ziegelsteinen verbinden“, sagt d’Arcy. Rund 50 Steine würden dann den Strom eines Photovoltaikmoduls aufnehmen und könnten mit dieser Ladung beispielsweise die Außenbeleuchtung eines Gebäudes fünf Stunden lang leuchten lassen oder Sensoren betreiben.
„Der große Vorteil ist: Eine Ziegelmauer als Superkondensator kann im Laufe einer Stunde tausende Male wiederaufgeladen werden“, so der Forscher. Dank ihrer schnellen Ladung und Entladung sind diese Stromspeicher damit weit flexibler als normale Akkus. „Unsere Superkondensator-Technologie verleiht einem billigen Baumaterial zusätzlichen Wert und demonstriert einen skalierbaren Prozess, durch den Energiespeicher für eingebettete Elektronik in Architektur integriert werden kann“, konstatieren die Forscher. (Nature Communications, 2020; doi: 10.1038/s41467-020-17708-1)
Quelle: Washington University in St. Louis
