Zitteraal-Batterien: Wie die verrückte Technologie jetzt praxistauglich wird

Ist Hydrogel nach Natrium-Batterien nun die nächste spannende Alternative zur Lithiumzelle? Das Material, das zum Beispiel auch für Kontaktlinsen zum Einsatz kommt, besitzt mehrere nützliche Eigenschaften für diesen Use Case. Vor allem leitet es Ionen. Bisherige Hydrogel-Batterien waren jedoch ineffizient.

Forscher der Penn State University haben nun jedoch ein Modell entwickelt, das effizienter sein soll als alle Vorgänger. Der Clou: Es kommt ohne externe Stützstruktur aus. Stattdessen besteht sie aus ultradünnen Schichten. Wie die Universität am 28. Januar meldete, erreicht die Batterie damit die bisher unerreichte Leistungsdichte von 44 kW pro m³. Damit wird die Technologie für mehrere Anwendungen interessant.

Der Zitteraal als Vorbild

Das Vorbild für die Technologie liefert die Natur, genauer gesagt der Zitteraal. Denn Zitteraale sind lebende Kraftwerke. Mit spezialisierten Zellen, den sogenannten Elektrozyten, erzeugen sie Stromstöße von über 600 V. Das reicht aus, um Beute zu betäuben oder Angreifer abzuwehren. Die Elektrozyten sind extrem dünn und produzieren aus kleinstem Volumen eine elektrische Leistung, die in Relation gesehen enorm ist.

Diese Eigenschaft macht sie für Materialwissenschaftler interessant. Denn der Zitteraal erzeugt Strom nicht durch chemische Reaktionen wie eine klassische Batterie, sondern durch den Fluss von Ionen durch hauchdünne Zellmembranen. Genau dieses Prinzip lässt sich mit Hydrogelen nachahmen: Die wasserreichen Materialien können Ionen leiten und in geschichteter Anordnung Spannung aufbauen – und das ohne giftige Metalle.

Die Idee ist nicht neu – das Problem auch nicht

Bereits 2017 stellten Forscher der Universität Fribourg und der University of Michigan erste Batterien vor, die nach dem Zitteraal-Prinzip arbeiten. Die Grundidee: Hydrogele werden in einem bestimmten Muster geschichtet, um die ionischen Prozesse des Zitteraals nachzuahmen.

Die bisherigen Hydrogel-Batterien waren jedoch zu schwach für praktische Anwendungen. Sie brauchten aufgrund ihrer flexible, gelartigen Struktur externe Stützstrukturen, um zu funktionieren. Dadurch lieferten sie nur geringe Leistungsdichten, die keinen Einsatz in echten Geräten erlaubte.

Der Durchbruch: Dünnere Schichten, mehr Leistung

Das Team der Penn State University hat dieses Problem jetzt nach eigenen Angaben gelöst. Der Schlüssel liegt in der Schichtdicke. Mit einem Verfahren namens Spin-Coating – wobei Material auf eine rotierende Oberfläche aufgetragen wird – erzeugten die Forscher im Labor Hydrogel-Schichten von nur 20 µm Dicke. Das entspricht dem Bruchteil eines menschlichen Haares.

Diese extrem dünnen Schichten reduzieren den elektrischen Widerstand drastisch. Das Ergebnis ist eine Leistungsdichte von 44 kW pro m³, die erstmals ohne externe Stützstruktur auskommt

„Nach unserem Wissen ist das die erste Energiequelle, die vollständig in einer Hydrogel-Lösung enthalten ist und keine externe Unterstützung benötigt“, erklärte Joseph Najem, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Penn State University.

Keine Konkurrenz für Lithium-Ionen

Um Missverständnisse zu vermeiden: Zitteraal-Batterien werden Lithium-Ionen-Akkus nicht ersetzen. Mit 44 kW/m³ liegen sie weit unter den 250-700 kW/m³, die moderne Lithium-Zellen erreichen.

Aber darum geht es auch nicht. Die Hydrogel-Batterie zielt auf Anwendungen, bei denen klassische Akkus schlicht nicht funktionieren:

• Medizinische Implantate: Im menschlichen Körper sind giftige Materialien tabu. Hydrogele sind biokompatibel – deshalb lassen sie sich auch als Kontaktlinsen nutzen – und vertragen sich mit dem umgebenden Gewebe vertragen.
• Wearables und Hautsensoren: Smartwatches, Fitness-Tracker oder medizinische Pflaster mit Sensoren – all diese Geräte sitzen direkt auf der Haut und müssen sich mit ihr bewegen. Starre Batterien sind dafür weniger gut geeignet.
• Soft Robotics: Flexible Roboter, wie sie etwa in der Medizintechnik oder als Greifer eingesetzt werden, brauchen auch flexible Stromquellen. Starre Akkus passen nicht zu weichen Maschinen.

Funktionsfähig weit unter 0°C

Die US-Forscher haben ihr Material zusätzlich optimiert. Durch die Zugabe von Glycerin bleibt die Batterie laut der Pressemitteilung auch bei Temperaturen bis – 80 °C funktionsfähig. Herkömmliche Hydrogele wären bei diesen Temperaturen längst eingefroren.

Außerdem soll das neue Material deutlich langsamer austrocknen: Während Standard-Hydrogele innerhalb von Minuten ihre Leitfähigkeit verlieren, bleibt die neue Formulierung nach Angaben der Penn State-Wissenschaftler tagelang stabil.

Wie geht es weiter?

Marktreif ist die Zitteraal-Batterie noch nicht. Die Forscher wollen jetzt in weiteren Projekten ihre Leistungsdichte weiter erhöhen und an Möglichkeiten arbeiten, die Batterien wieder aufzuladen. Idealerweise könnte das selbstständig passieren, etwa durch Nutzung von Körperwärme oder Bewegung.

Bis Zitteraal-Batterien in Implantaten oder Robotern landen, wird es also noch dauern. Aber nach fast einem Jahrzehnt Forschung hat die von der Biologie inspirierte Technologie einen wichtigen Schritt gemacht: vom Kuriosum aus dem Labor zur ernsthaften Option.

Die Studie wurdeim Fachjournal Advanced Science veröffentlicht.