Diese Batterie lässt sich auf Kleidung drucken
Ein koreanisches Forscherteam hat eine neuartige Lithium-Ionen-Batterie entwickelt. Sie bringt spannende Eigenschaften mit sich und können unter anderem das Thema Wearables kräftig vorantreiben. Der erste Praxistest ist vielversprechend verlaufen.
Diese Illustration zeigt das Prinzip des druckbaren Akkus anhand eines Ärmels.
Foto: KIST
Die Weiterentwicklung der digitalen Welt ist abhängig von der Stromversorgung, genauer von Batterien. Beim Begriff „Batterien“ denken viele Menschen immer noch an kleine, feste Rollen, die in die entsprechenden Plastikfächer von Elektrogeräten geschoben werden. Ingenieurinnen und Ingenieure wissen hingegen, dass es längst handliche Energiespeicher in Formen und Größen gibt, die früher unvorstellbar waren. Trotzdem können die vorhandenen Lithium-Ionen-Akkus bei Weitem nicht allen gewünschten Anwendungen gerecht werden.
Ein gutes Beispiel ist intelligente Kleidung. Sie ist auf der einen Seite im Freizeitbereich für Sportler interessant, auf der anderen Seite könnte sie im Feld der Medizin ein großes Potenzial entfalten. T-Shirts, die über integrierte Sensoren die Herzfrequenz oder sogar die Blutzuckerwerte des Trägers erfassen, würden es Ärztinnen und Ärzten ermöglich, Therapien exakter auf die Patientinnen und Patienten abzustimmen und Medikamente besser zu dosieren. Die smarte Kleidung könnte sogar Verhaltenstipp weitergeben, um beispielsweise einen zu hohen Puls zu regulieren. Zudem könnte sie wichtige Daten für die Diagnostik sammeln. Möglich ist das alles bereits, zumindest in der Theorie. Praktisch ist es oftmals die mangelhafte Energieversorgung, die dazu führt, dass interessante Pilotprojekte nicht in der Fläche ankommen. Das könnte sich jetzt ändern. Denn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Korea haben einen neuartigen Lithium-Ionen-Akku vorgestellt. Seine Eigenschaften überraschen.
Denkende T-Shirts: Das leisten Wearables der nächsten Generation
Lithium-Ionen-Akku ist mechanisch sehr flexibel
Das Forscherteam unter der Leitung von Dr. Jeong Gon Son vom Soft Hybrid Materials Research Center des Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, bei dem alle verwendeten Materialien dehnbar sind und auf Kleidung gedruckt werden können. Tragbar wird die neue Batterie aber vor allem durch ihre mechanische Flexibilität – sie lässt sich problemlos dehnen und fühlt sich dabei nach Angaben der Forschenden angenehm an.
Damit wäre ein großer Nachteil herkömmlicher Batterien beseitigt: ihre harte anorganische Elektrode. Sie nimmt normalerweise den größten Teil des Akku-Volumens ein. Dehnbarkeit gehört in der Regel nicht zu ihren Eigenschaften. Eine weitere Schwierigkeit sind die flüssigen Elektrolyten, die nicht auslaufen dürfen.
Leitfähige Tinte ermöglicht den Elektronentransfer
Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern stand das Ziel klar vor Augen. Deswegen schlossen sie von vornherein Materialien aus, die zwar dehnbar sind, aber keine Energie speichern, etwa Gummi. Stattdessen entwickelten sie ein neues organisches Gelmaterial. Es ist weich, dehnbar und ist auf Grundlage des vorhandenen Bindematerials entstanden. Es hält die aktiven Elektrodenmaterialien an ihrem Platz und erleichtert die Übertragung von Ionen. Im nächsten Schritt stellten die Forschenden eine Art leitfähige Tinte her. Sie dient als Stromkollektormaterial für den Elektronentransfer. Außerdem bildet sie eine Verkapselung, damit der Akku auch bei hoher Spannung und in verschiedenen Verformungszuständen stabil funktioniert, ohne durch Elektrolytaufnahme aufzuquellen.
Batterien aus Gummi liefern erstaunliche Ergebnisse
Die Energiespeicherdichte soll nach Angaben der Koreaner mit den Werten herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus vergleichbar sein (~2,8 mWh/cm2), bei einer Antriebsspannung von 3,3 Volt oder höher. Daher sei es sogar möglich, Materialien in die Batterie zu integrieren, die für herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden.
Dehnbarer Lithium-Ionen-Akku besteht den Praxistest
Im Praxistest hat sich gezeigt: Die Batterie ist mechanisch sehr stabil und ihre Leistung soll selbst dann bestehen bleiben, wenn sie 1.000-Mal gedehnt wurde.
Außerdem hat das Forscherteam die Elektroden- und Stromkollektormaterialien direkt auf beide Seiten eines Armwärmers aus Spandex gedruckt und eine dehnbare Verkapselung hinzugefügt. Im Anschluss zeigten sie, dass diese Batterie eine intelligente Uhr kontinuierlich mit Strom versorgen konnte, auch während die Kleidung beim An- oder Ausziehen gedehnt wurde.
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