Blei und Säure haben längst ausgedient. Wer dieser Tage einen Blick auf die Prototypen zukünftiger Energiespeicher wirft, sieht sich einer ganzen Phalanx maßgeschneiderter exotischer Stoffe gegenüber. Ganz oben auf der Liste sind die so genannten 2-D-Materialien von denen Graphen das bekannteste ist – sie bestehen aus nur wenige Atome dicken Schichten, zwischen denen sich Ladungsträger frei bewegen können. Sie erlauben sehr hohe Lade- und Entladeraten.

Das neueste Mitglied im Club der zukünftigen Ladegeräte sind die so genannten MXene – elektrisch leitfähige Verbindungen aus Kohlenstoff oder Stickstoff und einem Metall, mit der Konsistenz von Knetmasse. Diese Stoffe sind schon länger bekannt, aber dass sie knetbar sind, stellte sich erst heraus, als Forscher um Michael Ghidiu von der Drexel University in Philadelphia ein milderes Herstellungsverfahren entwickelten.

Jetzt erweist sich eines der MXene mit der Summenformel Ti3C2 als höchst aussichtsreich für Energiespeicher. Diese sind allerdings keine klassischen Akkus oder Batterien mehr, sondern so genannte Pseudokondensatoren. Diese Bauelemente speichern Energie anders als klassische Kondensatoren, nicht allein in Form eines elektrischen Feldes, sondern auch chemisch. Sie gehören zu den Superkondensatoren, die tausend- bis millionenfach höhere Kapazität haben als Elektrolytkondensatoren: Bis hin zu weit über 1000 Farad.

Gewalzter MXen-Film
© Drexel University
(Ausschnitt)
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Ganz so weit ist das neue Material noch nicht, aber dank eines neuen Herstellungsverfahrens hat das Team um Ghidiu die MXene die Hürden für einen technischen Einsatz deutlich verringert. Und die schienen erheblich zu sein. Die MXene stammen von den MAX-Verbindungen ab, die aus einem Metall M, einem weiteren Element A sowie Kohlenstoff oder Stickstoff – X – bestehen. Um von MAX zu MX zu kommen, ätzt man das A-Element mit Flusssäure heraus.

Allerdings gehört Flusssäure zu jenen Chemikalien, mit denen Chemiker nur äußerst ungerne arbeiten. Deswegen schaute sich Ghidius Mannschaft nach alternativen Verfahren zur Herstellung der aussichtsreichen MXene um – und fand eine weit weniger aggressive Mischung aus handelsüblicher Salzsäure und Lithiumfluorid. Das erwies sich als Glücksfall, denn wie sich zeigte, ist die Flusssäure nicht nur schlecht für Umwelt und Mitarbeitermotivation, sondern scheint auch die dünnen Schichten der MXene zu beschädigen. Statt wie zuvor 300 hat das Material nun eine Kapazität von 900 Farad pro Kubikzentimeter – etwa das Dreifache der Kapazität von Graphenelektroden.

Der Knete-Faktor dagegen rührt daher, dass der Stoff leicht Wasser aufnimmt. Es lagert sich zwischen den Schichten ein und wirkt dort als Schmiermittel – genau wie in Tonmineralien. Dadurch ist das Material flexibel und leicht zu formen: die Forscher walzten daraus Filme unter einem Mikrometer Dicke. Eine flexible Folie erhielten sie außerdem, indem sie die Schichten im Ultraschallbad voneinander ablösten und abfiltrierten.

Experimente mit anderen Säure-Salz-Kombinationen deuten nach Angaben der Autoren außerdem darauf hin, dass sich die Eigenschaften der MXene über die Herstellungsbedingungen über einen weiten Bereich variieren lassen. Möglicherweise sind Energiespeicher nur der Anfang der Karriere dieser bemerkenswerten Schichtmaterialien.