Eine Batterie zum Aufrollen

Flexibel und leistungsfähig: US-Chemiker haben eine neue Stromquelle für Smartwatches, Sensorarmbänder und ähnliche Wearables entwickelt. Die Batterie ist nur einen Viertelmillimeter dick und vor allem biegsam. Außerdem vereint sie die Stabilität einer herkömmlichen Batterie mit der hohen Ladekapazität eines Superkondensators, schreiben die Wissenschaftler im „Journal of the American Chemical Society“.

Fitness-Tracker, Smartwatch und Mobiltelefon – am besten alles zusammen in einem Gerät, natürlich leicht und tragbar: Wearables sind ein rasend wachsender Trend. All diese Geräte haben eines gemeinsam: Sie brauchen Strom, und gerade die Stromversorgung ist oft ein Problem. Die Akkus müssen nicht nur eine ausreichende Speicherkapazität haben, sondern auch klein, leicht und am besten biegsam sein.

Flexibel wie Kohlenstoff-Materialien

Zu diesem Zweck suchte das Forscherteam um Yang Yang von der Rice University in Houston nach einem Material mit den Vorteilen von Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder leitfähigen Polymeren, aber auch mit ausreichender Speicherkapazität. „Es gab bislang wirklich gute, flexible Speichersysteme auf Kohlenstoffbasis“, sagt Yang, „aber Kohlenstoff hat nie die Speicherkapazitäten anorganischer Systeme erreicht, besonders Nickelfluorid.“ Das neue Material sollte also sowohl flexibel sein als auch eine möglichst hohe Speicherkapazität aufweisen.

Erfolg hatten die Chemiker schließlich mit einer Schicht Nickelfluorid von nur 900 Nanometern Dicke, in die sie unzählige Poren ätzten. Diese Poren haben nur fünf Nanometer im Durchmesser. Mit jeweils zwei solcher Nickelfluorid-Elektroden umhüllten sie eine feste, aber flexible Elektrolytschicht aus Kaliumhydroxid in Vinylalkohol – Tour vergleicht die Struktur mit einem Sandwich. Durch die Nanoporen erhalten die Elektroden eine viel größere Oberfläche, und damit eine große Speicherkapazität.

Speicher wie ein Superkondensator

Der Prototyp der so entstandenen flexiblen Batterie ist nur ungefähr einen Viertelmillimeter dick. Für größeren Energiebedarf eines Geräts lässt sie sich auch größer oder in mehreren Lagen herstellen. Industriell kann die Batterie wahrscheinlich noch dünner hergestellt werden – mehrere Firmen haben bereits Interesse gezeigt. „Verglichen mit einer Lithium-Batterie ist die Struktur wirklich einfach und stabil“, sagt Yang, und erklärt weiter: „Sie verhält sich wie eine Batterie, aber die Struktur ist die eines Superkondensators.“

Superkondensatoren speichern elektrische Energie nicht nur auf elektrochemischem Wege, wie dies wieder aufladbare Akkus tun, sondern auch als elektrostatische Energie. Dadurch können sie viel schneller auf- und entladen werden. Die neue Batterie beherrscht Yang zufolge beide Tricks und lässt sich auf beide Arten verwenden – schnell zur Verfügung stehender Strom wie bei einem Superkondensator, oder langfristiges Entladen wie bei einer Batterie.

Bei ihren Labortests behielt der Prototyp 76 Prozent seiner Kapazität, auch nach 10.000-maligem Laden und Entladen. Gleichzeitig ließ er sich ohne große Verluste mehr als tausendmal verbiegen. „Das ist nicht so einfach, weil Materialien mit so hoher Kapazität normalerweise brüchig sind“, sagt Yang. „Diese Zahlen zeigen eine außerordentlich hohe verfügbare Energie“, fügt Koautor Tour hinzu, „und es ist eine sehr einfache Methode, um Systeme für hohen Energiebedarf zu produzieren.“ Außerdem sei die Technik vielversprechend für den Einsatz anderer nanoporöser Materialien.

(JACS, 2014; doi: 10.1021/ja501247f )

(Rice University, 29.04.2014 – AKR)