Der Trend in der Elektronikbranche geht immer mehr in Richtung Computer oder Smartphones mit falt- oder rollbaren Bildschirmen. Auch in "intelligenten" Kleidern kommen tragbare Kleinstgeräte oder Sensoren zum Einsatz, um beispielsweise Körperfunktionen zu überwachen. All diese Geräte brauchen jedoch eine Energiequelle, und in der Regel ist dies eine Lithiumionenbatterie. Allerdings waren solche Batterien bisher schwer und rigid und damit im Prinzip ungeeignet für Anwendungen in flexiblen Elektronikgeräten oder Textilien.
Wissenschafter um Markus Niederberger von der ETH Zürich stellten jetzt aber den Prototyp einer flexiblen Dünnfilm-Batterie vor. Diese lässt sich biegen, dehnen oder gar verdrehen, ohne dass die Stromversorgung abbricht. Die revolutionäre Entwicklung wurde nun im Fachjournal "Advanced Materials" vorgestellt.
Ausschließlich flexible Bauteile
Der Sandwich-Aufbau der neuen Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus, allerdings setzten die Forscher 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, berichten die Wissenschafter.
Auf der Innenseite der Stromsammler befindet sich eine dünne Schicht aus winzigen Silberflocken, die einander wie Dachziegel überlappen. Dadurch verlieren sie auch bei Dehnung nicht den Kontakt und garantieren die Leitfähigkeit, selbst wenn der Stromsammler stark auseinandergezogen wird. Und sie den Kontakt dennoch verlieren, fließt der Strom trotzdem, und zwar durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff, allerdings schwächer.
Gel-Elektrolyt auf Wasserbasis
In begrenzte Bereiche der Silberschicht sprühten die Forscher Anodenpulver aus Vanadiumoxid, beziehungsweise Kathodenpulver aus Lithiummanganoxid. Das Kernstück der Batterie liegt aber 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.
Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
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. (red, APA, 25.9.2019)