Eine total verdrehte Batterie

Die Elektronikbranche setzt immer mehr auf Computer oder Smartphones mit falt- oder rollbaren Bildschirmen. In intelligenten Kleidern kommen tragbare Kleinstger?te oder Sensoren zum Einsatz, um beispielsweise K?rperfunktionen zu ¨¹berwachen. All diese Ger?te brauchen jedoch eine Energiequelle, und in der Regel ist dies eine Lithiumionenbatterie. Nur: solche Batterien sind schwer und rigid und damit im Prinzip ungeeignet f¨¹r Anwendungen in flexiblen Elektronikger?ten oder Textilien.

Abhilfe f¨¹r dieses Problem schaffen nun Markus Niederberger, Professor f¨¹r Multifunktionsmaterialien an der ETH Z¨¹rich, und sein Team. Die Forscherinnen und Forscher haben einen Prototyp einer flexiblen D¨¹nnfilm-Batterie entwickelt. Diese l?sst sich biegen, dehnen oder gar verdrehen, ohne dass die Stromversorgung abbricht.

Kernst¨¹ck dieser neuen Batterie ist der Elektrolyt, also der Teil einer Batterie, durch den sich die Lithium-Ionen beim Entladen oder Laden der Batterie bewegen m¨¹ssen. Entwickelt wurde der Elektrolyt von ETH-Doktorand Xi Chen, Erstautor einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift ?externe Seite Advanced Materials? erschienen ist.

Konsequent biegsame Komponenten eingesetzt

Der sandwichartige Aufbau der neuartigen Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus. Die Forscher verwendeten aber erstmals ausschliesslich flexible Bauteile, um die Batterie als Ganzes biegsam und dehnbar zu halten. ?So konsequent wie wir hat bisher noch niemand ausschliesslich flexible Komponenten eingesetzt, um einen Lithium-Ionen-Akku herzustellen?, sagt Niederberger.

Die beiden Stromsammler f¨¹r die Anode und die Kathode bestehen aus einem dehnbaren Kunststoff, der elektrisch leitenden Kohlenstoff enth?lt. Dieser ist zugleich Aussenh¨¹lle. Auf die Innenseite des Kunststoffs trugen die Forschenden eine d¨¹nne Schicht aus winzigen Silberflocken auf. Durch die dachziegelartige Anordnung der Silberflocken verlieren sie den Kontakt zueinander auch dann nicht, wenn der Kunststoff stark gedehnt wird. Das garantiert die Leitf?higkeit des Stromsammlers selbst wenn er stark gestreckt wird. Verlieren die Silberflocken den Kontakt zueinander dennoch, fliesst der elektrische Strom ¨C wenn auch schw?cher ¨C durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff.

Mithilfe einer Maske spr¨¹hten dann die Forschenden Anoden- respektive Kathoden-Pulver in einem genau begrenzten Bereich auf die Silberschicht. Das Kathodenpulver enth?lt Lithiummanganoxid, die Anode Vanadiumoxid.

Gel-Elektrolyt auf Wasserbasis

Separiert durch eine Trennschicht, die einem Bilderrahmen gleicht, legten die Wissenschaftler schliesslich die beiden Stromsammler mit den aufgebrachten Elektroden aufeinander und f¨¹llten die L¨¹cke im Rahmen mit Elektrolytgel.

Dieses Gel ist umweltfreundlicher als bisherige, wie Niederberger betont. ?Elektrolytfl¨¹ssigkeiten in heutigen Batterien sind giftig und brennbar.? Diejenige, die sein Doktorand Xi Chen entwickelte, basiert hingegen auf Wasser. Im Gel in hoher Konzentration eingebracht ist ein Lithiumsalz, das nicht nur die Wanderung der Lithiumionen zwischen Kathode und Anode w?hrend des Ladens und Entladens erm?glicht, sondern auch die elektrochemische Zersetzung des Wassers verhindert.

F¨¹r ihren Prototyp f¨¹gten die Wissenschaftler die verschiedenen Bestandteile mit Klebstoff zusammen. ?Wenn wir die Batterie kommerzialisieren wollen, m¨¹ssen wir ein anderes Verfahren finden, damit sie langfristig dicht bleibt?, sagt Niederberger

Zahlreiche Einsatzm?glichkeiten

Anwendungen f¨¹r eine solche Batterie gibt es immer mehr. Namhafte Handyhersteller ¨¹berbieten sich derzeit mit biegsamen Bildschirmen f¨¹r ihre Ger?te. Denkbar sind auch rollbare Displays von Computern, Smartwatches und Tablets; auch in funktionalen Textilien, welche biegsame Elektronik enthalten, werden flexible Stromlieferanten gebraucht. ?Man k?nnte eine solche Batterie beispielsweise in die Kleidung einn?hen?, sagt Niederberger. Wichtig sei, dass f¨¹r den Fall, dass die Batterie auslaufe, die austretende Fl¨¹ssigkeit keine Sch?den verursachten, weswegen ihr Elektrolyt Vorteile biete.

Niederberger betont allerdings, dass es noch weitere Forschung brauche, um die flexible Batterie zu optimieren und um an eine Kommerzialisierung zu denken. Vor allem m¨¹ssten sie die Beladung mit Elektrodenmaterial erh?hen. Eine neue Doktorandin hat vor kurzem damit begonnen, den weichen Energiespender weiterzuentwickeln. Der aus China stammende Erfinder des ersten Prototyps, Xi Chen, ist nach Abschluss seiner Dissertation in seine Heimat zur¨¹ckgekehrt, wo er eine neue Stelle angetreten hat ¨C als Berater in der Batterienindustrie.