Schon seit vielen Jahren suchen Wissenschaftler und Ingenieure nach Wegen, um Energiespeichersysteme effizienter zu machen. Dazu gehören die Erhöhung der Speicherkapazität von Energiespeichern, die Verkleinerung der Geräte, die Entwicklung von Energiespeichern, die sich schnell aufladen lassen, und sogar die Herstellung von Hybridgeräten, die die Vorzüge mehrerer Geräte in einem einzigen Gerät vereinen, beispielsweise Hybridmodule bestehend aus einer Batterie und einem Ultrakondensator.

Da wir im täglichen Leben immer mehr auf elektronische Geräte angewiesen sind, müssen die Geräte immer leistungsfähiger und kleiner werden und schneller aufgeladen werden können. Deshalb streben Entwickler ständig danach, diese Geräte zu verbessern und mehr Leistung bei gleichbleibender oder geringerer Größe zu liefern. Viele konventionelle Fertigungsverfahren schränken die Möglichkeiten von Entwicklern ein, diese Geräte mit Standardmaterialien zu verkleinern und effizienter zu machen. Daher greifen viele Wissenschaftler¹ und industrielle Hersteller jetzt auf Nanomaterialien zurück, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Die Nanotechnologie hat die Entwicklung dieser Geräte in den letzten Jahren so stark beeinflusst, dass nun einige kommerzielle Energiespeicher mit Nanomaterialien auf den Markt kommen, viele davon im Bereich Verbraucherprodukte.

Die Bedeutung der Nanotechnologie für Energiespeicher

Nanomaterialien haben Eigenschaften, durch die sie sich ideal für eine Vielzahl von Energiespeichern eignen. Da die Eigenschaften von Nanomaterialien sehr unterschiedlich sein können, bieten sich Entwicklern unendlich viele Möglichkeiten zur Verbesserung von Energiespeichern.

Einer der Hauptvorteile für den Einsatz in Energiespeichern ist die hohe elektrische Leitfähigkeit und Ladungsträgermobilität einiger Nanomaterialien, durch die Elektronen effektiver transportiert und gespeichert werden können. Die Quanteneffekte auf Nanoebene können in einigen Nanomaterialien ebenfalls verstärkt werden. Bestimmte Nanomaterialien verfügen über sogenannte Quantentöpfe bzw. Energiepotentialtöpfe, zwischen denen Elektronen hindurch tunneln können, wenn die Töpfe nahe genug beieinander liegen. Das bedeutet, dass die Elektronen in einigen Nanomaterialien das Material durchqueren können, ohne dass sie durch die chemischen Bindungen, aus denen das Gerät besteht, behindert werden und somit auch keine Energie verlieren.

Nanomaterialien sind außerdem von Natur aus klein und/oder dünn. Dadurch lassen sich mit ihnen die Miniaturgeräte bauen, die sich die Verbraucher wünschen, ohne die Effizienz des Geräts zu beeinträchtigen. Nanomaterialien haben je nach Speichergerät eine große und aktive Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichen Materialien, die für die Speicherung von Ladungen und/oder Ionen verwendet werden.

Einige andere Nanomaterialien haben eine sehr hohe Isolierfähigkeit und können großer Hitze standhalten – wesentlich mehr als die Hitze, die elektronische Hochleistungsgeräte abgeben. Da Elektrogeräte mit jeder neuen Technologiegeneration immer mehr Wärme produzieren, tragen diese isolierenden Nanomaterialien nicht nur zum Schutz der elektrischen Eigenschaften des Geräts bei, sondern können die Wärme oft auch innerhalb des Geräts ableiten. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit von Hitzeflecken und lokalen Schäden geringer ist und sich die Lebensdauer des Geräts verlängert.

Die Eigenschaften von Energiespeichern werden durch verschiedene Nanomaterialien beeinflusst, und es ist nicht ungewöhnlich, dass mehr als ein Nanomaterial verwendet wird, um mehrere Eigenschaften des Geräts zu verbessern und/oder Synergieeffekte zwischen den Nanomaterialien zu erzielen, die zu einem effizienteren Gerät beitragen. Die Entwickler können häufig sogar mehr als ein Nanomaterial in Verbindung mit einem anderen verwenden, um einen größeren Nutzen zu erzielen. Ein Beispiel dafür ist die Schichtung elektrisch isolierender (dielektrischer) Nanomaterialien auf hochleitfähigen Nanomaterialien, um den Energieverlust an die Umgebung zu verringern, die elektronischen Ladungsträger zu schützen und in einigen Fällen die Richtung eines Elektrons zu manipulieren.

Einsatzbereiche der Nanotechnologie

Nanomaterialien werden heute in zahlreichen Energiespeichersystemen eingesetzt. Am weitesten verbreitet sind dabei Akkus mit Nanomaterialien, die inzwischen auch kommerziell hergestellt werden. Angesichts der Tatsache, dass Lithium-Ionen-Akkus für die Hersteller den größten Markt darstellen, ist dies auch der Bereich, in dem die meisten Auswirkungen zu verzeichnen sind. Allerdings werden Nanomaterialien auch für die Herstellung kommerzieller Lithium-Schwefel-Akkus (Li-S) verwendet. Die meisten Nanomaterialien werden in Akkus für die Elektrode verwendet, aber in einigen auch in fester Form oder als Gel für den Elektrolyten.

Auch im Bereich der flexiblen und tragbaren Elektrogeräte, die sich ständig weiterentwickeln, ist die geringe Größe solcher Batterien äußerst wichtig. Neben eigenständigen Geräten werden derzeit auch eine Reihe von E-Textilien² entwickelt, die als Energiespeicher dienen. Solche Geräte sind nur möglich, weil die in ihnen verwendeten Nanomaterialien so klein und effizient sind.

Neben Akkus werden einige Nanomaterialien auch für die nächste Generation von Superkondensatoren verwendet. Außerdem werden Module entwickelt, die eine Mischung aus Akkus und Superkondensatoren darstellen und die Vorteile beider Systeme nutzen und gleichzeitig die Probleme vermeiden sollen, die mit beiden verbunden sind.

Diese Energiespeichersysteme kommen in vielen verschiedenen modernen Technologien zum Einsatz. Dabei bieten Energiespeicher mit Nanomaterialien sowohl für kleine (tragbare) Systeme als auch für größere Energiespeichersysteme, wie z. B. für Elektrofahrzeuge, ein großes Potenzial. Nanomaterialien gelten sogar als eine der vielversprechendsten Möglichkeiten zur Verbesserung der relativ schlechten Lade- und Energiespeicherkapazitäten vieler Akkus, die derzeit in Elektrofahrzeugen verwendet werden.

Auch wenn Energiespeicher mit Nanotechnologie in größeren Systemen eingesetzt werden können, sind sie derzeit vor allem in tragbaren Geräten zu finden. Ein gutes Beispiel ist das Smartphone, das im Internet der Nano-Dinge (IoNT) verwendet wird. Für das IoNT werden kleinere Sensoren benötigt. Dabei bieten auf Nanotechnologie basierende Akkus eine Möglichkeit, solche Geräte mit Energie zu versorgen. Die typischen Anwendungsbereiche reichen von der medizinischen Sensorik bis hin zur Umweltüberwachung.

Fazit

Viele Nanomaterialien besitzen Eigenschaften, die sich hervorragend zur Verbesserung der Leistung, Größe und Lademöglichkeiten vieler Energiespeicher eignen. Angesichts der weiter steigenden Nachfrage nach kleineren und effizienteren Geräten werden Nanomaterialien in diesen Geräten eine noch größere Rolle spielen als heute. Schon jetzt gibt es erste kommerzielle Systeme, die in einer Reihe von tragbaren Verbraucherprodukten auf den Markt kommen. Dieser Markt wird aller Voraussicht nach weiter wachsen, da immer mehr Hersteller von Endverbrauchergeräten diese Technologien einsetzen.

Quellen

• 1. „Nanotechnology in Batteries (Nano Battery)". Zugriff am 28. November 2022. https://www.understandingnano.com/batteries.html.

• 2. Berger, Michael. „Nanotechnology E-Textiles For Bio-Monitoring And Wearable Electronics“. Zugriff am 28. November 2022. https://www.technicaltextile.net/articles/nanotechnology-e-textiles-for-bio-monitoring-and-wearable-electronics-3762.