Flexible Batterie für bessere Wearables – mit innovativen Folien

Wearable Devices haben die Welt grundlegend verändert. Sie eignen sich beispielsweise als Sensoren zur Überwachung verschiedener Biomarker, als Tools zur Verabreichung von Arzneimitteln oder als Geräte zur Verbesserung der Fitness. Damit diese Geräte funktionsfähig bleiben und ihre Aufgaben bei hohem Tragekomfort auch erfüllen, müssen sie Batterien enthalten, die dehnbar und stark verformbar sind. Genau hier liegt das Problem.

Zwar haben sich etliche Arbeitsgruppen weltweit damit befasst, Batterien zu optimieren. Ihnen ist es gelungen, die Flexibilität der Batterien in einem gewissen Rahmen zu verbessern, ohne dass sich deren Lebenszeit stark verkürzt. Schwierig wurde es bei der Frage, wie Batterien vor Feuchtigkeit und Gasen geschützt werden können.

Ein Forscherteam der Yokohama National University, Japan, hat deshalb eine dehnbare Verpackungsfolie für Batterien entwickelt. Diese zeichnet sich durch eine hohe Gas- und Feuchtigkeitsbarriere aus. Jetzt hoffen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass mobile Devices mit hochgradig verformbaren Batterien zu einer gängigen Technologie werden.

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Kommerzielle Batterien eignen sich schlecht für Wearables

Zum Hintergrund: „Derzeit ist die Verwendung fester und großer Batterien für Wearables ein Problem“, kommentiert Hiroki Ota von der Abteilung für Maschinenbau an der Yokohama National University. „Während Sensoren und Schnittstellen leicht verformbar sind, werden als Energiequelle immer noch harte Batterien verwendet.“ Kommerziell erhältliche Batterien, die weich und dehnbar seien, gebe es zwar, so Ota. Aber solche Bauteile hätten einige Nachteile. „Sie können aber aufgrund der hohen Gas- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Verpackungsmaterialien von dehnbaren Batterien nicht in normaler Luft verwendet werden.“

Um flexible Folien mit einer hohen Gasbarriere herzustellen, brachten die Forschenden eine dünne Schicht aus flüssigem Metall auf eine goldbeschichtete thermoplastische Polyurethanfolie. Hier arbeiteten sie mit einem additiven Verfahren. Diese Methode ermöglichte die gewünschte Verformbarkeit, im Gegensatz zu aluminiumkaschierten Folien, die zuvor verwendet wurden, um das Problem der Gas- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit zu lösen. Das Konstrukt bot nicht die erforderliche Flexibilität.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zufolge weist die neu hergestellte Folie eine ausgezeichnete Sauerstoffdurchlässigkeit bei mechanischer Beanspruchung auf – und das bei äußerst geringer Feuchtigkeitsdurchlässigkeit. Die dehnbare Lithium-Ionen-Batterie, die sie in ihrer Studie eingesetzt hatten, konnte dank der von ihnen entwickelten dehnbaren Folie als Gasbarriere an der Luft zuverlässig arbeiten.

Flexible Batterien auf dem Weg in die Anwendung

Erste Tests im Labor zeigen, dass Barrieren aus der Folie den Batterien interessante Eigenschaften aufweisen. Sie haben eine hoher Energiedichte, eine hohe Betriebsspannung, waren – im Rahmen der bisher vorhandenen Daten – stabil sind, und das bei der Möglichkeit, sie stark zu verformen. Damit könnten Wearables – vor allem in der Medizin – wieder stärker in den Mittelpunkt des Interesses. Gerade bei langen Tragezeiten sind flexible Batterien wichtiger denn je.

Bis zur Kommerzialisierung ist dennoch viel zu tun. Zu den nächsten Schritten gehört die Verbesserung des Feuchtigkeitsschutzes der Folie durch Modifizierung der Materialien. Außerdem arbeiten Ota und seine Kolleginnen beziehungsweise Kollegen daran, die langfristige Stabilität der Batterien weiter zu verbessern. Ein wichtiges Kriterium wird auch sein, Materialien auszuwählen, die so preisgünstig sind, dass sich auch große Stückzahlen produzieren lassen. Die innovative Folie könnte aber auch empfindliche elektronische Komponenten schützen.

Mit Graphen bessere Schaltkreise konzipieren

Doch sind flexible Batterien nur ein Teil der neuen Strategie hin zu besseren Wearables. Denn auch bei Schaltungen ist noch Luft nach oben. Jetzt zeigen Forschende, dass Graphen elektrische Schaltkreise erheblich verbessern kann, die für tragbare und flexible Elektronik wie intelligente Gesundheitspflaster, biegsame Smartphones, Helme oder große, flexible Bildschirme erforderlich ist.

Graphen wurde direkt auf dünne zweidimensionale Kupferleitungen, die üblicherweise in der Elektronik verwendet werden, aufgebracht. Die Ergebnisse zeigten, dass Graphen nicht nur die Leitungseigenschaften der Leitungen verbesserte, sondern auch die kupferbasierten Strukturen vor dem üblichen Verschleiß schützte. Laut einer weiteren Arbeit sind mit Graphen beschichtete Goldelektroden flexibler, aber auch widerstandsfähiger gegen den Schweiß des Körpers einer Person. Daraus könnten Firmen bessere implantierbare Biosensoren herstellen.

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