Hightech Zentrum Aargau
News

Gedruckte Superkondensatoren aus einer "Abfall-Tinte"

Kürzlich publizierte die Gruppe um Dr. Jakob Heier an der EMPA Dübendorf ein Highlight: Druckbare Superkondensatoren, hergestellt mit einer binderfeien Tinte aus dem Abfallprodukt der MXeneherstellung.

MXene: Eine vielseitige, neue Klasse von Nanomaterialien

MXene sind eine neue Klasse von zweidimensionalen anorganischen Nanomaterialien, die sich hervorragend für Energiespeicheranwendungen eignen. Beispielsweise lassen sich Superkondensatoren aus diesem Material auf flexiblen Substraten von der Polymerfolie bis hin zu Papier drucken.
Diese Materialien bestehen aus wenigen Atomen dicken Schichten von Übergangsmetallkarbiden, -nitriden oder -carbonitriden. Erstmals 2011 beschrieben, kombinieren MXene die metallische Leitfähigkeit von Übergangsmetallkarbiden und die hydrophile Natur aufgrund ihrer Hydroxyl- oder Sauerstoff-terminierten Oberflächen.

Eine alte Drucktechnik im hochpräzisen Gewand

Für den Druck funktioneller Strukturen mit der neuen Tinte kommt die Siebdruck-Methode zum Einsatz. Der Siebdruck ist eine sehr vielseitige Drucktechnik für verschiedene Anwendungen. Dabei wird ein feines Gewebe verwendet, um die Farbe auf das Substrat zu übertragen. Um Strukturen zu drucken, hat das Gewebe undurchlässige und durchlässige Bereiche, in denen die Farbe entweder blockiert ist oder nicht. Kombiniert man diese lang bekannte Drucktechnik mit der am Coating Competence Center der Empa zugänglichen, hochpräzisen Technologie, so eröffnen sich Wege zur vielseitigen industriellen Herstellung gedruckter Elektronik.

Funktionelle Drucktinten für Supercaps

Siebdruckfarben sind in der Regel hochviskose Flüssigkeiten oder Pasten. Dies ist bei funktionellen Tinten vorteilhaft, da der Anteil an funktionellem Material in der Tinte (in diesem Fall MXene-Partikel) sehr hoch sein kann. Somit ist auch der Anteil an funktionellem Material innerhalb der gedruckten Struktur hoch, was eine gute Leistung (z.B. hohe Leitfähigkeit) ergibt. Im Vergleich zu anderen Drucktechniken ist die erzielbare Schichtdicke von siebgedruckten Schichten viel höher.

Der Clou der neuen Entwicklung: Für die Formulierung der additivfreien MXene-Tinten wird das "Abfallprodukt" MXene-Sediment verwendet und ist damit abfallfrei, skalierbar und kostengünstig. Aus diesem Grund hat die neue Strategie eine grosse industrielle Relevanz für Bereiche wie das Internet der Dinge (Internet of Things, IoTs), Smart-Labels, intelligente Verpackungen und andere Anwendungen, in denen billige und einfach zu integrierende Komponenten erforderlich sind. Die vielseitige MXene-Materialfamilie hat einen sehr breiteren funktionellen Anwendungsbereich, zum Beispiel mit den in der aktuellen Studie beschriebenen Superkondensatoren ("Supercaps")  in der Energiespeicherung, für Sensoren, Antennen und elektromagnetische Abschirmung.

Hohe Leistungsfähigkeit

Die neuen, gedruckten Mikro-Superkondensatoren (MSC) basieren auf Titankarbid (TiC), sind elastisch und weisen eine ausgezeichnete Ladungsspeicherleistung auf, einschließlich hoher Flächenkapazität und hoher Energie/Leistungs-Dichte, die alle bisher bekannten gedruckten MSCs übertrifft.

Originalpublikation: S. Abdolhosseinzadeh, R. Schneider, A. Verma, J. Heier, F. Nüesch, C. Zhang,Turning Trash into Treasure: Additive Free MXene Sediment Inks for Screen‐Printed Micro‐Supercapacitors, Adv. Mater. 2020, 2000716, https://doi.org/10.1002/adma.202000716