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#Neues aus der Industrie
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Graphen-Flaggschiff-Partner produzieren umweltfreundliche Graphen-Bio-Tinten
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Für wiederaufladbare Batterien und Energiespeichervorrichtungen.
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Forscher der Graphene Flagship-Partner Trinity College Dublin, Irland, CIC EnergiGUNE und INCAR-CSIC, Spanien, haben wiederaufladbare Batterien und Energiespeicher aus einem ungiftigen und umweltfreundlichen Material auf Graphenbasis hergestellt
Da die heutigen Metall-Ionen-Batterien ihre theoretischen Grenzen hinsichtlich Lebensdauer, Kapazität und Leistung erreichen, konzentrierten sich die Forscher auf Metall-Luft-Varianten, wie z.B. Natrium-Luft-Batterien (Na-O2).
Ausgestattet mit Natriumanoden und Sauerstoffeinfangkathoden haben diese Geräte interessante und einzigartige wiederaufladbare Fähigkeiten: NaO2 wird erzeugt, wenn die Batterie ihre gespeicherte Energie entzieht, die dann beim Aufladen der Batterie wieder zu metallischem Natrium und Sauerstoff zurückgeführt wird.
In dieser Studie wurde eine Kathode aus einem porösen Aerogel auf Graphenbasis hergestellt.
Das Graphene-Flaggschiff-Team stellte es durch elektrochemisches Peeling von Graphitfolien mit Hilfe von Molekülen her, die von DNA-Bausteinen wie Adenosinmonophosphat abgeleitet sind.
Diese Biomoleküle fügen sich in die Graphitstruktur ein, wodurch die Folien aufquellen. Die Folien werden dann abgeschabt und weiter verarbeitet, was zur Bildung von Graphenflocken führt, die etwa 1-2 nm dick und 400-600 nm breit sind.
Die Forscher des Graphen-Flaggschiffs wiesen auch auf eine sekundäre Funktion dieser Biomoleküle hin: Sie werden an der Oberfläche von Graphen adsorbiert, wodurch die Flocken in Wasser dispergiert werden können.
Die resultierende leitfähige Tinte ist aus mehreren Gründen - vor allem wegen ihrer geringen Umweltbelastung - anderen, die organische Lösungsmittel enthalten, vorzuziehen.
Die Forscher von Graphene Flagship verwendeten dann eine Gefriertrocknungstechnik, um die Tinte in ein Aerogel umzuwandeln, das sich für die Kathode der Batterie eignet. Diese neuen Batterien konnten 50 Mal mit einer Effizienz von 94% wieder aufgeladen werden, was ein sehr wettbewerbsfähiges Ergebnis ist, das andere Kathoden auf Graphenbasis übertrifft.
"Wir glauben, dass die Phosphate in diesen Biomolekülen der Hauptgrund für diesen Erfolg sind. Diese chemischen Gruppen ermöglichen eine schnellere Wiederverwertung von NaO2 während der Ladephase", sagte Nagore Ortiz-Vitoriano vom Graphene Flagship-Partner CIC EnergiGUNE, der diese Studie mitverfasst hat.
Diese Graphentinte wurde ohne jegliche Zusätze auch zum Drucken elektrisch leitender Muster als Teil von Speichervorrichtungen, wie z.B. Mikro-Superkondensatoren, verwendet. Diese Bauelemente zeigten eine bemerkenswerte Leistung, die mit den aktuellen graphenbasierten Bauelementen vergleichbar ist, und behielten nach 5.000 Lade-/Entladezyklen etwa 75% der ursprünglichen Leistung bei.
"Wir werden die Struktur unserer Geräte weiter verfeinern und ihre Kapazität und Lebensdauer weiter verbessern sowie die Energieverluste während des Betriebs reduzieren", sagte Jose Maria Munuera vom Graphene Flagship Partner CSIC und entsprechender Autor dieser Studie.
"Durch den Nachweis, dass eine wässrige Biotinte auf Graphenbasis die Leistung von Batterien und Superkondensatoren verbessert, bietet diese Arbeit eine neuartige, nachhaltige Materiallösung, um das Feld voranzubringen", sagte Vittorio Pellegrini, Leiter des Arbeitspakets für Energiespeicherung des Graphen-Flaggschiffs.
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