Gedrehte Kohlenstoffnanoröhren könnten eine deutlich bessere Energiespeicherung erreichen als moderne Lithium-Ionen-Batterien

Ein internationales Wissenschaftlerteam, darunter zwei Forscher, die jetzt am Center for Advanced Sensor Technology (CAST) der UMBC arbeiten, hat gezeigt, dass verdrehte Kohlenstoffnanoröhren dreimal mehr Energie pro Masseneinheit speichern können als moderne Lithium-Ionen-Batterien. Diese Entdeckung könnte Kohlenstoffnanoröhren zu einer vielversprechenden Lösung für die Speicherung von Energie in Geräten machen, die leicht, kompakt und sicher sein müssen, wie etwa medizinische Implantate und Sensoren. Die Forschung wurde publiziert vor kurzem in der Zeitschrift Natur Nanotechnologie.

Sanjeev Kumar Ujjain von CAST war leitender Forscher bei dieser Arbeit. Er begann das Projekt an der Shinshu University in Nagano, Japan, und führte es nach seiner Ankunft an der UMBC im Jahr 2022 fort. Preety Ahuja von CAST trug ebenfalls zu den Aspekten der Materialcharakterisierung der Forschung bei.

Die Forscher untersuchten einwandige Kohlenstoffnanoröhren, die wie Strohhalme aus reinen Kohlenstoffschichten mit einer Dicke von nur 1 Atom bestehen. Kohlenstoffnanoröhren sind leicht, relativ einfach herzustellen und etwa 100-mal stärker als Stahl. Ihre erstaunlichen Eigenschaften haben Wissenschaftler dazu veranlasst, ihre potenzielle Verwendung in einer breiten Palette futuristisch klingender Technologien zu untersuchen, darunter Weltraumaufzüge.

Um das Potenzial von Kohlenstoffnanoröhren zur Energiespeicherung zu untersuchen, stellten die UMBC-Forscher und ihre Kollegen Kohlenstoffnanoröhren-„Seile“ aus Bündeln handelsüblicher Nanoröhren her. Nachdem die Forscher die Röhren zu einem einzigen Faden gezogen und gedreht hatten, beschichteten sie sie anschließend mit verschiedenen Substanzen, die die Festigkeit und Flexibilität der Seile erhöhen sollten.

Das Team testete, wie viel Energie die Seile speichern konnten, indem es sie aufrollte und die Energie maß, die beim Abwickeln der Seile freigesetzt wurde. Sie fanden heraus, dass die leistungsstärksten Seile 15.000 Mal mehr Energie pro Masseneinheit speichern konnten als Stahlfedern und etwa dreimal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien.

Die gespeicherte Energie bleibt bei Temperaturen von -60 bis +100 °C konstant und verfügbar. Die Materialien in den Kohlenstoffnanoröhrenseilen sind zudem für den menschlichen Körper sicherer als die in Batterien verwendeten.

„Der Mensch speichert seit langem Energie in mechanischen Spiralfedern, um Geräte wie Uhren und Spielzeuge mit Strom zu versorgen“, sagt Kumar Ujjain. „Diese Forschung zeigt, dass verdrehte Kohlenstoffnanoröhren ein großes Potenzial für die Speicherung mechanischer Energie haben, und wir freuen uns, diese Neuigkeiten mit der Welt teilen zu können.“

Er sagt, das CAST-Team arbeite bereits daran, verdrehte Kohlenstoffnanoröhren als Energiequelle für einen Sensor-Prototyp zu integrieren, den sie gerade entwickeln.