Prototyp entwickelt 25.09.2019, 07:00 Uhr

Dünnfilm-Batterie lässt sich verdrehen, biegen und dehnen

Schweizer Forscher haben einen neuen Batterietyp vorgestellt. Die Funktionsweise ist an herkömmliche Akkus angelehnt. Durch den Einsatz neuer Materialien soll die Batterie jedoch nicht starr sein, sondern weich und beweglich.

Prototyp Dünnfilm-Batterie

Leicht und besonders biegsam ist die Dünnfilm-Batterie. Sie soll neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen.

Foto: ETH Zürich

In der Elektronikbranche ist Flexibilität angesagt. Fernsehbildschirme sollen sich einrollen lassen, während sich faltbare Smartphones in Tablets verwandeln. Die Entwicklung solcher Produkte ist sehr komplex. Denn neben der Elektronik müssen auch die Akkus in der Lage sein, trotz der Formveränderung problemlos zu arbeiten. Noch schwieriger ist die Stromversorgung intelligenter Textilien. Batterien müssen in diesem Bereich unauffällig sein und angenehm zu tragen. Gerade die Medizin verspricht sich viel von Sensoren in Kleidung, um beispielsweise Patienten mit chronischen Erkrankungen zu überwachen. In der Praxis sind Lithiumbatterien als Energiequelle jedoch nicht ideal. Sie sind starr und verhältnismäßig schwer. Ein Forscherteam an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) hat eine Alternative entwickelt: Die Dünnfilm-Batterie ist so flexibel, dass sie Geräte und Sensoren anhaltend mit Strom versorgen kann, während sie gebogen oder gedehnt wird.

Prinzip der Lithium-Ionen-Akkus aufgegriffen

Das Prinzip der Dünnfilm-Batterie ähnelt einem gewöhnlichen Akku. Sein Herzstück ist ein Elektrolyt, durch den sich die Lithium-Ionen bewegen müssen, damit die Batterie geladen wird oder Strom liefert. Anders als bei gewöhnlichen Akkus haben die Forscher aber ausnahmslos flexible Bauteile verwendet, um eine insgesamt formbare Batterie zu erhalten. Praktisch heißt das: Die beiden Stromsammler für die Anode und die Kathode haben die Wissenschaftler aus einem Kunststoff hergestellt, der gut dehnbar ist und elektrisch leitenden Kohlenstoff enthält.

Auf der Innenseite des Kunststoffs haben die Forscher eine dünne Schicht aus sehr kleinen Silberflocken aufgebracht. Sie sind ähnlich wie Dachziegel angeordnet, was einen interessanten Effekt mit sich bringt. Sie verlieren nämlich den Kontakt zueinander selbst dann nicht, wenn der Kunststoff stark gedehnt wird. Die Leitfähigkeit des Stromsammlers bleibt also erhalten. Der kohlenstoffhaltige Kunststoff funktioniert dabei als eine Art Back-up-System. Geht der Kontakt der Silberflocken bei einer extremen Verformung doch verloren, fließt der elektrische Strom durch ihn weiter, allerdings etwas schwächer. Die Versorgung bricht also nie vollständig ab, solange die Batterie nicht in zwei Teile gerissen wird.

Auf diese Silberschicht haben die Wissenschaftler schließlich – genau abgegrenzt mit einer Schablone – Lithiummanganoxid für die Kathodenschicht aufgetragen und Vanadiumoxid zur Bildung der Anode.

Umweltfreundliches Elektrolyt-Gel entwickelt

Natürlich wird auch bei dieser flexiblen Dünnfilm-Batterie eine Schicht benötigt, die eine Wanderung der Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode ermöglicht. Dafür entwickelten die Forscher ein neuartiges Elektrolyt-Gel. Es basiert auf Wasser und soll daher umweltfreundlicher sein als Elektrolytflüssigkeiten in herkömmlichen Akkus. Seine Eigenschaften kommen durch integriertes Lithiumsalz zustande. Das sorgt nicht nur für die Lade- und Entladefähigkeit der Batterie, sondern verhindert gleichzeitig die elektrochemische Zersetzung des Wassers.

Die einzelnen Bestandteile der Batterie hat das Team zunächst mit Klebstoff zusammengefügt. Das sei aber nur eine Notlösung für den Prototypen. „Wenn wir die Batterie kommerzialisieren wollen, müssen wir ein anderes Verfahren finden, damit sie langfristig dicht bleibt“, sagt Markus Niederberger, Professor für Funktionsmaterialien an der ETH Zürich.

Nächster Schritt: Ladefähigkeit der Batterie erhöhen

Von einer kommerziellen Produktion sind die Forscher aber noch einige Schritte entfernt. Zunächst wollen sie die Ladefähigkeit der Dünnfilm-Batterie verbessern und einen geeigneten Herstellungsprozess entwickeln. Gelingt es, den Akku zu optimieren, sieht Niederberger großes Potenzial für seinen Einsatz. „Man könnte eine solche Batterie beispielsweise in die Kleidung einnähen“, sagt er. Neben dem Tragekomfort, die ein biegsamer Akku mit sich bringt, könnte die Sicherheit ein wichtiger Faktor sein. Denn der Elektrolyt verursache keine Schäden, falls die Batterie auslaufe.

Nach Meinung der Forscher prädestiniere die hohe Flexibilität der Batterie sie zudem dafür, biegsame Smartphones, Tablets und Bildschirme mit Strom zu versorgen. Dafür muss aber natürlich eine deutlich längere Akku-Laufzeit möglich sein.

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