Wundersame Selbstheilung: Forscher haben Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, die sich nach einem Bruch selbst wieder heilen. Sogar wenn sie komplett zerschnitten werden, wachsen diese flexiblen, dünnen Batterien in Minutenschnelle wieder zusammen. Möglich wird dies durch ein selbstheilendes Polymer. Die neuartigen Akkus könnten künftig beispielsweise für in Kleidung integrierte Elektronik eingesetzt werden.
Ob leuchtende T-Shirts, in Kleidung integrierte Sensoren oder andere Elektronik: „intelligente“ Kleidung liegt im Trend. Bisher allerdings hakt es noch bei der Stromversorgung. Denn herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sind bisher nur bedingt für den Einsatz in Textilien geeignet.
Selbstheilend statt zerbrechlich
Selbst flexible Akkus können brechen, wenn sie einer starken Verwindung ausgesetzt sind oder versehentlich einen Schnitt abbekommen. Dabei versagen sie nicht nur, sondern es können auch ernsthafte Sicherheitsprobleme auftreten: Brennbare, giftige oder ätzende Gase oder Flüssigkeiten können austreten.
Yonggang Wang von der Fudan Universität in Schanghai und seine Kollegen haben jetzt eine Lösung entwickelt: Akkus, die sich nach einer Beschädigung selbst wieder reparieren. Dies gelingt, weil alle Komponenten der Batterien aus selbstheilenden Materialien bestehen. Bei diesen Substanzen bilden die Moleküle nach einer Trennung innerhalb von Sekunden neue chemische Bindungen aus und schließen so die Lücke.
Nanoröhrchen, Polymer und ein Gel als Elektrolyt
Die Elektroden der selbstheilenden Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus mehreren Lagen parallel ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Zwischen diesen liegen zwei Nanopartikel aus zwei verschiedenen Lithiumverbindungen, ein Lithium-Manganoxid (LiMn2O4) für die eine Elektrode, und eine Lithium-Titan-Phosphatverbindung (LiTi2(PO4)3) für die andere. Die dünnen Schicht-Elektroden sind jeweils auf einem Substrat aus einem selbstheilenden Polymer fixiert.
Zwischen den Elektroden liegt ein lösemittelfreier Elektrolyt aus einem Cellulose-basierten Gel, in das eine wässrige Lithiumsulfat-Lösung eingebettet ist. Dieser Gel-Elektrolyt dient gleichzeitig als Trennschicht zwischen den Elektroden. Anders als bei herkömmlichen Lithiumionen-Akkus können die Lithiumverbindungen hier nicht aus den Elektroden austreten, weder im Betrieb, noch bei einem Bruch.
Kapazität bleibt auch nach Heilung erhalten
Die spezielle Kombination von Materialien macht die Akkus selbstheilend: Nach einem Bruch reicht es, die Ränder einige Sekunden lang zusammenzudrücken, und sie wachsen wieder zusammen. In einem weiteren Test zerschnitten die Forscher eine um den Arm einer Puppe gewickelte Batterie. Der Akku behielt dabei selbst nach wiederholten Bruch/Selbstheilungszyklen noch seine Kapazität und Ladeeigenschaften, wie Wang und seine Kollegen berichten.
Nach der Heilung kleben nicht nur das selbstheilende Polymer, sondern auch die Kohlenstoffnanoröhrchen wieder perfekt aneinander – dank ihrer parallelen Ausrichtung ist dies wesentlich einfacher als bei Schichten ungeordneter Kohlenstoffpartikel. Auch der Elektrolyt stellt kein Problem dar: Während sich herkömmliche Elektrolyte bei Luftkontakt sofort zersetzen, ist das neue Gel an Luft stabil. Frei von organischen Lösemitteln ist es weder brennbar noch toxisch.
„Dies demonstriert, dass diese selbstheilenden Akkus für tragbare und in Kleidung integrierte Elektronik gut geeignet sind“, konstatieren die Forscher. (Angewandte Chemie, 2016; doi: 10.1002/ange.201607951)
(Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V., 24.10.2016 – NPO)
