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ETH-Forscher stellen biegsamen Akku her – für Smart-Kleider und Handys

Der in Zürich entwickelte Prototyp soll der erste sein, der so konsequent ausschliesslich auf flexible Komponenten setzt.



Smartphones und Tablets mit Bildschirmen zum Zusammenrollen? Dafür braucht es auch flexible Batterien. ETH-Forschende stellen nun einen Prototyp vor, der erstmals komplett aus dehnbaren Komponenten besteht.

Zusammenrollbare Elektronik oder auch smarte Kleidung mit Sensoren, die Körperfunktionen messen – solche Anwendungen brauchen auch eine Energiequelle, die das Knautschen, Dehnen und Rollen mitmacht. Die handelsüblichen Lithiumionenbatterien sind aber starr und schwer und eignen sich deshalb kaum für flexible Elektronik.

Forscherinnen und Forscher um Markus Niederberger von der ETH Zürich stellen nun einen Prototyp einer flexiblen Dünnfilm-Batterie vor. Trotz Verbiegen und Verdrehen reisst die Stromversorgung nicht ab, wie die ETH am Dienstag mitteilte. Den Prototyp stellen die Forschenden im Fachblatt «Advanced Materials» vor.

Sandwich aus flexiblen Bauteilen

Der Sandwich-Aufbau der neuen Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus, allerdings setzten die Forschenden ausschliesslich bieg- und dehnbare Komponenten ein. Aussen liegen die Stromsammler für Anode und Kathode, die zugleich als Hülle dienen. Sie bestehen aus einem dehnbaren Kunststoff, der elektrisch leitenden Kohlenstoff enthält, schrieb die ETH.

Auf der Innenseite der Stromsammler befindet sich eine dünne Schicht aus winzigen Silberflocken, die einander wie Dachziegel überlappen. Dadurch verlieren sie auch bei Dehnung den Kontakt nicht und garantieren die Leitfähigkeit, auch wenn der Stromsammler stark auseinandergezogen wird. Selbst wenn sie den Kontakt verlieren, fliesst der Strom noch durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff, allerdings schwächer.

In begrenzte Bereiche der Silberschicht sprühten die Forschenden Anodenpulver aus Vanadiumoxid, beziehungsweise Kathodenpulver aus Lithiummanganoxid.

Bild

Eine handgemachte Metallmaske und der Airbrush-Sprühbeschichter. screenshot:

Das Kernstück der Batterie liegt in der Mitte des «Sandwichs»: Der Elektrolyt, durch den die Lithiumionen beim Ent- oder Aufladen der Batterie wandern müssen, besteht aus einem Hydrogel. Darin befindet sich ein Lithiumsalz in hoher Konzentration.

«Elektrolytflüssigkeiten in heutigen Batterien sind giftig und brennbar», erklärte Niederberger. Nicht so beim neuen Elektrolyt, den sein Doktorand Xi Chen entwickelt hat. Er basiert auf Wasser. Das Lithiumsalz im Gel ermöglicht die Ionenwanderung und verhindert die elektrochemische Zersetzung des Wassers.

Bis zur Kommerzialisierung müssen die Forschenden die Batterie allerdings noch optimieren und weiterentwickeln, beispielsweise um die Beladung mit Elektrodenmaterial zu erhöhen und die einzelnen Schichten langfristig dicht miteinander zu verbinden. Sollte sich die Batterie bis zur Marktreife bringen lassen, sehen Niederberger und sein Team zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von rollbaren Displays bis zu smarten Textilien.

Auch in anderen Forschungsgruppen weltweit wird rege an biegsamen Batterien geforscht. Laut Niederberger ist der nun vorgestellte Prototyp jedoch der erste, der so konsequent ausschliesslich auf flexible Komponenten setzt.

Abstract zur wissenschaftlichen Arbeit: Fully Integrated Design of a Stretchable Solid‐State Lithium‐Ion Full Battery (September 2019)

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