Flexibler Stromlieferant: Forscher haben einen Akku entwickelt, der komplett aus weichen Materialien besteht. Die Batterie lässt sich dadurch problemlos verdrehen, biegen und dehnen – und könnte beispielsweise in Kleidung integriert werden. Möglich wird dies, weil Elektroden und Stromsammler aus in Kunststoff eingebetteten Metallflocken bestehen. Der Elektrolyt ist ein Gel, das Lithiumsalze enthält.
Der Trend geht zu tragbarer und flexibler Elektronik – ob als flexible Solarzelle auf dem T-Shirt, Elektronik aus Nylon oder als Batterie, die sich selbst heilen kann. Möglich werden diese Entwicklungen durch organische Halbleiter, neue Polymere und immer kleinere, teilweise schon aufdruckbare Elektronik-Bauteile.
Ausschließlich flexible Bauteile
Jetzt haben ETH-Forscher um Markus Niederberger die Palette dieser flexiblen Elektronik um eine wichtige Komponente erweitert: einen biegsamen Lithiumionen-Akku. Ihr Prototyp einer flexiblen Dünnfilm-Batterie lässt sich biegen, dehnen oder gar verdrehen, ohne dass die Stromversorgung abbricht. Möglich wird dies, weil die Forscher erstmals ausschließlich flexible Bauteile für ihren Akku einsetzten.
„So konsequent wie wir hat bisher noch niemand ausschließlich flexible Komponenten eingesetzt, um einen Lithiumionen-Akku herzustellen“, sagt Niederberger. Herzstück der Batterie ist ein Elektrolyt aus einem Hydrogel mit einer hohen Konzentration eines Lithiumsalzes. Er ermöglicht die Wanderung der Lithiumionen während des Ladens und Entladens selbst dann noch, wenn er um rund 300 Prozent gedehnt wird, wie die Forscher berichten.
Silberflocken und Elektrodenpulver
Ebenfalls dehnbar und biegsam sind die beiden Stromsammler für die Elektroden. Sie bestehen aus einem dehnbaren, kohlenstoffhaltigen Kunststoff. Auf der Innenseite des Kunststoffs sorgt eine dünne Schicht aus winzigen, dachziegelartig geschichteten Silberflocken für Leitfähigkeit. Dank dieser Schichtung verlieren die Silberflocken auch dann nicht den Kontakt, wenn die Batterie stark gedehnt oder gebogen wird. Verlieren die Silberflocken den Kontakt zueinander dennoch, fließt der Strom – wenn auch schwächer – durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff.
Die Elektroden des dehnbaren Lithiumionen-Akkus bestehen aus metallhaltigem Pulver, das in einem genau begrenzten Bereich auf die Silberschicht aufgesprüht wird. Das Kathodenpulver enthält Lithiummanganoxid, die Anode Vanadiumoxid. Für ihren Prototyp fügten die Wissenschaftler die verschiedenen Bestandteile mit Klebstoff zusammen. „Wenn wir die Batterie kommerzialisieren wollen, müssen wir aber ein anderes Verfahren finden, damit sie langfristig dicht bleibt“, räumt Niederberger ein.
In Belastungstests erfolgreich
In ersten Tests hat die dehnbare Lithiumionen-Batterie bereits ihre Funktionsfähigkeit und Stabilität bewiesen: „Dank der verformbaren Einzelkomponenten funktioniert dieser Akku auch dann, wenn er gedehnt, gebogen oder sogar verdreht wird“, berichten die Forscher. „Wurde die Batterie beispielsweise um 50 Prozent gedehnt, erbrachte sie nach 50 solcher Zyklen noch immer eine Kapazität von 28 Milliampere pro Gramm und eine Energiedichte von 20 Wattstunden pro Kilogramm.“ Das bestätige die Funktionsfähigkeit der Batterie selbst unter extremer mechanischer Belastung.
Anwendungen für diesen Akku gäbe es reichlich: Er könnte in rollbaren Displays von Computern, Smartwatches und Tablets eingesetzt werden, aber auch in biegsamen Handys. Auch in Textilien, die biegsame Elektronik enthalten, werden flexible Stromlieferanten gebraucht. „Man könnte eine solche Batterie beispielsweise in die Kleidung einnähen“, sagt Niederberger.
Bevor der dehnbare Akku allerdings auf den Markt kommen kann, müssen die Wissenschaftler ihn noch optimieren. Angepasst werden muss unter anderem die Verbindung der Komponenten, zudem muss die Beladung mit Elektrodenmaterial erhöht werden, wie Niederberger und sein Team erklären. (Advanced Materials, 2019; doi: 10.1002/adma.201904648)
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
