Strom aus dem Stein

Steinfläche als Energiespeicher: In Zukunft könnten Küchenarbeitsplatte, Steinfußboden oder die Wand zu Stromlieferanten werden. Denn Forscher haben einen Mikro-Superkondensator entwickelt, der sich direkt auf Marmor, Granit und andere Steinoberflächen applizieren lässt. Die aus Kupfer und Metalloxiden bestehende Beschichtung ist gegen Stöße und Schläge unempfindlich, kann recycelt werden und produziert je nach Fläche genügend Strom für kleinere Elektrogeräte. Dies könnte neue Möglichkeiten für die heimische Lade-Infrastruktur eröffnen.

Neben den klassischen Lithium-Ionen-Akkus können auch Superkondensatoren Strom für mobile Geräten liefern. Sie haben zwar weniger Speicherkapazität als ein Akku, können dafür aber hohe Stromstärken in kurzer Zeit liefern. Sie können zudem fast unendlich oft und schnell ge- und entladen werden. Denn anders als bei Akkus tritt bei den Superkondensatoren nur eine Ladungsverschiebung, aber keine chemische Stoffänderung auf – das macht sie robuster. Mikro-Superkondensatoren wurden schon in textile Displays, kompostierbare Batterien oder sogar in Ziegelsteine integriert.

Steinoberfläche mit stromspeicherndem Extra

Eine weitere Variante von in Materialien integrierten Superkondensatoren haben nun Seunghyun Back von der Kookmin Universität in Südkorea entwickelt. Ausgangspunkt war die Überlegung, ob man nicht auch die Steinflächen von Küchenarbeitsplatten, Bodenfliesen oder Wandkacheln zu Stromlieferanten machen könnte. Dann könnten integrierte Lampen, Lautsprecher oder Thermostate ihre Energie direkt aus ihrem Umfeld beziehen.

Das Team entwickelte dafür einen Mikro-Superkondensator, der sich als dünne, aber robuste Beschichtung direkt auf die unebene Steinoberfläche auftragen lässt. Dafür wird der Schaltkreis mittels Kupfer-Nanopartikeln auf den Stein aufgebracht und mit einem Infrarotlaser angeschmolzen. Eine Kupferleitung ist dabei nur rund 100 Mikrometer breit. Für die Elektroden wird auf eine Hälfte der Leitungen Eisenoxid, auf die andere Manganoxid aufgedampft. Ein Elektrolyt aus Lithiumperchlorat in einem Polymer vervollständigt den Superkondensator.

Genug für LEDs und mehr

„Trotz der unregelmäßigen Oberfläche der Steinoberfläche erzeugte der laserinduzierte Mikro-Superkondensator eine hohe Energiedichte pro Fläche von 6,55 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter und eine Leistung von 1,2 Milliwatt pro Quadratzentimeter“, berichten Back und seine Kollegen. Die einzelnen Mikromodule können zudem über serielle oder parallele Verschaltung zu beliebig großen Einheiten zusammengekoppelt werden.

In ersten Tests reichten drei mal drei Mikromodule bereits aus, um eine LED zum Leuchten zu bringen. Die Forscher erweiterten ihre Technik zudem schon so weit, dass sie ein Netz aus solchen Mikromodulen auf eine normale Steinwand applizierten – sie wurde damit zu einer in die Wand integrierten Ladestation. Die Superkondensatorschicht erwies sich dabei als extrem robust: Sie hielt sogar harte Schläge aus, ohne Schaden zu nehmen, wie das Team berichtet.

Robust, günstig und umweltfreundlich

Nach Ansicht von Back und seinen Kollegen eröffnet diese Technik eine ganz neue Klasse von überall einsetzbaren, günstigen und umweltfreundlichen Energiespeichersystemen. Denn für die Mikro-Superkondensatoren werden nur Metalle und Polymere benötigt und das Auftragen auf die Steinunterlage erfordert weder Photolithografie noch chemisches Ätzen oder eine Vakuum-Abscheidung.

Sogar recycelbar sollen die stromspeichernden Wände sein. Dafür wird die Steinschicht mit den Kondensatorkomponenten zermahlen und kann dann in ihre chemischen Komponenten zerlegt werden, wie das Team erklärt. (ACS Nano, 2022; doi: 10.1021/acsnano.2c01753)

Quelle: American Chemical Society (ACS)