Zerstört sich in drei Minuten selbst: US-Forscher entwickeln dehnbare Batterie mit Kill-Switch
Forscher aus den USA haben eine dehnbare Batterie entwickelt, die erst durch Luftfeuchtigkeit aktiv wird und sich auf Wunsch selbst vernichtet. Wie das funktioniert und wofür es gut ist.
Die dehnbare Batterie.
Foto: Rajarem Kaveti (https://www.eurekalert.org/multimedia/1139071),Creative Commons Lizenz BY-NC-ND 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de)
Es gibt einen Widerspruch in der modernen Elektronik: Die Geräte werden weich – Sensorpflaster, smarte Textilien, biegsame Monitore. Ihre Stromquellen aber bleiben hart. Klassische Batterien sind zu starr und zu schwer für solche Anwendungen; zudem enthalten sie giftige, brennbare Elektrolyte. Alternativen, die Energie aus Bewegung, Licht oder Körperwärme gewinnen, liefern dagegen meist zu wenig Strom, um mehr als eine Anzeige zu betreiben.
Forschende der North Carolina State University und der Rice University lösen das Dilemma mit einem Kniff: Sie machen Luftfeuchtigkeit zum Schalter. Ihre dehnbare Dünnschichtbatterie enthält alles, was sie braucht – nur der Elektrolyt fehlt. Den erntet sie aus der Feuchtigkeit der Umgebungsluft. Im Test versorgte sie ein drahtloses Pulsoximeter so bis zu 27 Stunden lang. Die Ergebnisse sind kürzlich im Fachjournal Science Advances erschienen.
Derselbe Schalter funktioniert auch in die Gegenrichtung: In einem Überwachungssensor nutzten die Forschenden die geerntete Feuchtigkeit als Auslöser für einen Selbstzerstörungsmechanismus. Wer das Gerät unbefugt öffnet, hält drei Minuten später nur noch Schrott in der Hand.
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So funktioniert die Feuchtigkeits-Batterie
Das Prinzip erinnert an eine Brausetablette: Solange sie trocken bleibt, passiert nichts. Erst durch den Kontakt mit Wasser wird sie aktiv.
Genauso ruht die Batterie des US-Teams ohne Aktivität in ihrer versiegelten Verpackung. Erst der Kontakt mit Umgebungsluft weckt sie auf. Das erledigt ein Separator zwischen den Elektroden:
- Einfangen. Eine Zellulosemembran ist mit Lithiumchlorid getränkt, einem der stärksten wasseranziehenden Salze überhaupt. Es saugt Wasserdampf selbst bei niedriger Luftfeuchte aus der Luft und kondensiert ihn zu flüssigem Wasser.
- Lösen. Das Wasser wandert in die zweite Zone, wo Kochsalz trocken vorgeladen ist. Es löst sich, und aus der trockenen Membran wird ein Salzwasser-Elektrolyt. Ein Gel aus Zellulose- und Xanthan-Polymeren hält das Wasser fest und verhindert, dass der Separator wieder austrocknet.
- Strom liefern. Jetzt arbeitet die Zelle wie eine klassische Batterie: Die Magnesium-Anode oxidiert und gibt Elektronen ab, die über den Stromkreis zur Silber/Silberchlorid-Kathode fließen. Die Energie steckt also im Magnesium. Die Feuchtigkeit selbst liefert keinen Strom, sie schaltet die Zelle nur scharf.
Von der Wüste bis in die Tropen
Rund sieben Minuten nach dem Auspacken ist die Batterie bei üblicher Raumluftfeuchte einsatzbereit. Sie funktioniert nach Angaben der Forschenden zwischen 10 und 100 % relativer Luftfeuchte und von −20 bis +60 °C, von der Wüste bis zum Tropenklima.
Die Kennzahlen:
- rund 1,6 V Leerlaufspannung
- etwa 52 Milliamperestunden und 81 Milliwattstunden pro Gramm.
Damit erreicht die Zelle laut Studie Werte, die mit handelsüblichen Einwegbatterien vergleichbar sind. Bei einzelnen Kennzahlen soll sie diese sogar übertreffen. Doch wie bei jeder Einwegzelle ist ein Aufladen nicht vorgesehen: Ist das Magnesium einmal verbraucht, ist Schluss. Wiederaufladbare Varianten stehen erst noch auf der Forschungsagenda.
Warum das Schuppentier Modell stand
Dehnbare Batterien gibt es schon länger. Meist sitzen ihre starren Zellen dabei wie Inseln auf einem flexiblen Träger, verbunden über mäanderförmige Leiterbahnen. Das Problem: Zwischen den Inseln klafft ungenutzter Raum, und der kostet Energiedichte. Die US-Forschenden lösten das mit einem Vorbild aus der Natur: dem Pangolin oder Schuppentier. Dessen Panzer besteht aus dicht überlappenden Hornschuppen. Sie sind als Ganzes beweglich, aber an jeder Stelle geschlossen, wie Dachziegel auf einem Dach im Wind.
Nach diesem Muster packte das Team die starren Einzelzellen dicht an dicht auf dehnbare, serpentinenförmige Stromsammler. So lassen sich laut der Studie 87 % der Fläche mit aktiven Zellen belegen, ohne Abstriche bei der Beweglichkeit. In Tests ließ sich der Batterieverbund biegen, verdrehen und um bis zu 80 % in beide Richtungen dehnen, während sich der elektrische Widerstand der Verbindungen um weniger als 0,1 % änderte. Die Dehnung fangen allein die Serpentinen ab; die Zellen selbst bleiben unbelastet.
Einsatztest im Pulsoximeter
Die Alltagstauglichkeit des Konzepts demonstrierten die Forschenden an einem drahtlosen Pulsoximeter, also einem Fingerclip-Sensor, der Puls und Sauerstoffsättigung misst und per Bluetooth ans Smartphone funkt. Zwei in Serie geschaltete Zellen versorgten das Gerät laut der Universität bis zu 27 Stunden lang im Intervallbetrieb, rund 16 Stunden im Dauerbetrieb.
Ein praktisches Detail: Batterie und Hautpflaster sind als austauschbare Einweg-Einheit ausgelegt, die per Mini-Magneten an der wiederverwendbaren Elektronik andockt. „Leer“ heißt hier nicht wegwerfen, sondern nur das Pflaster wechseln.
Drei Minuten bis zum Totalschaden
Der zweite Teil der Studie dreht das Prinzip um: Dieselbe Feuchtigkeit, die die Batterie weckt, kann Elektronik gezielt vernichten.
Gedacht ist das für Geräte, deren Innenleben und Daten nicht in fremde Hände fallen dürfen, wie etwa verdeckt platzierte Überwachungssensoren. Die Forschenden demonstrierten das an einem drahtlosen Gassensor mit eingebautem Kill-Switch; die Logik kennt man vom Farbbeutel im Geldkoffer: Nicht der Dieb wird gestoppt, sondern die Beute entwertet.
Dafür lagert unter der Elektronik ein trockenes Aluminium-Iod-Pulver, darüber als Deckel dieselbe wasserziehende Membran wie in der Batterie. Wer das Gerät unbefugt öffnet oder zusammendrückt, presst die feuchte Membran auf das Pulver. Das Wasser zündet dadurch eine stark exotherme Reaktion, das Gerät geht in Flammen auf. Im Test war der Sensor samt Funkchips nach drei Minuten zerstört. Luftfeuchtigkeit allein soll aber nichts auslösen. Ohne Druck blieb das System laut den Studienautorinnen und -autoren auch bei 70 % Feuchte stabil.
Laborstadium mit klarem Zielmarkt
So reif die Demos wirken: Es ist ein Proof of Concept, kein Produkt. Als größte Baustelle nennen die Forschenden aktuell die Lagerfähigkeit der Batterie. Denn der Gel-Zusatz, der die Laufzeit verlängert, kostet nach 15 Tagen Lagerung massiv Kapazität. Ohne ihn hält die Zelle ihre Leistung fast verlustfrei.
Der realistische Einsatzpfad führt deshalb zunächst zu Einweg-Elektronik, wo Batterien ungiftig, leicht und lange lagerfähig sein müssen und nach Tagen ohnehin ersetzt werden:
- Medizinsensoren
- Wegwerf-Wearables
- verteilte IoT-Knoten.
Ein Ersatz für den Lithium-Ionen-Akku im Smartphone ist das Konzept nicht, und es will auch keiner sein.
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