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Umweltfreundliches Material

Batterie aus weichen Materialien lässt sich biegen und verdrehen

Die neue Batterie könnte in Zukunft in Smartphones, Implantaten und Kleidung verbaut werden. Vor der industriellen Nutzung sind aber noch Optimierungen nötig.

Zürich (Schweiz). In Zukunft benötigen Smartphones und Notebooks mit flexiblen Bildschirmen, in Kleidung integrierte Technik und andere Innovationen der Elektronikbranche neue Energiequellen zur Stromversorgung. Derzeit werden fast ausschließlich Lithiumionenbatterien genutzt, die jedoch schwer und unflexibel sind, was ihren Einsatz in Zukunftstechnologien in ihrer derzeitigen Form deutlich erschwert.

Wissenschaftler der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich (ETH) haben nun im Fachmagazin Advanced Materials den Prototyp einer sogenannten Dünnfilm-Batterie vorgestellt. Der flexible Energiespeicher lässt sich biegen, dehnen und verdrehen ohne dabei Schaden zu nehmen. Auch die Versorgung mit Strom bleibt während der Verformung durchgehend erhalten.

Neuer Elektrolyt macht Batterien flexibel

Der mehrschichtige Aufbau der Batterie ist vergleich mit herkömmlichen Lithiumionenbatterien, es werden aber erstmals nur flexible Bauteile eingesetzt. Markus Niederberger, Professor für Multifunktionsmaterialien erklärt, dass „so konsequent wie sie bisher noch niemand ausschließlich flexible Komponenten eingesetzt hat, um einen Lithium-Ionen-Akku herzustellen.“ Die größte Innovation der neuen Batterie ist das Elektrolyt, durch den die sich die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen bewegen müssen. Entwickelt wurde er an der ETH vom Doktorand Xi Chen.

Die Anode und Kathode bestehen aus einem elektrisch leitenden Kohlenstoff, der von einer flexiblen Hülle aus Kunststoff ummantelt ist. Die Innenseite dieser Kunststoffhülle ist mir einer Schicht aus kleinsten Silber beflockt, die sich gegenseitig überlappen und so auch bei Verformungen des Kunststoffs ihren Kontakt aufrechterhalten. Der Akku kann so auch noch dann Strom leiten, wenn er stark gebogen oder verdreht wird. Sollten die Silberflocken ihren Kontakt durch eine zu starke Verformung verlieren, kann Strom weiterhin durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff fließen.

Umweltfreundlichere Materialen als bei herkömmlichen Akkus

Das neue Elektrolyt-Gel auf Wasserbasis ist wie Niederberger erklärt „umweltfreundlicher als bisherige Elektrolytflüssigkeiten aus heutigen Batterien, die giftig und brennbar sind.“ Das von Xi entwickelte Elektrolyt-Gel nutzt hingegen lediglich Lithiumsalz, das in einer hoher Konzentration in Wasser aufgelöst wird. Es ermöglicht so die Wanderung der Lithiumionen zwischen Kathode und Anode und verhindert parallel, dass beim Be- und Entladen des Akkus das Wasser elektrochemisch zersetzt wird.

Optimierung der Batterie nötig

Bevor die Batterie auch industriell eingesetzt werden kann sind noch weitere Optimierungen nötig. Die fünf vorhandenen Prototypen wurden verklebt und sind deshalb sehr wahrscheinlich nicht langfristig dicht. Xi, der Entwickler des Prototypen ist inzwischen nach China zurückgekehrt, wo er in der Batterienindustrie arbeitet. Die Weiterentwicklung übernimmt nun eine neue Doktorandin, deren Hauptziel es ist, die Beladung mit Elektrodenmaterial deutlich zu erhöhen.

Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201904648

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