US-Chemiker entwickeln biegsame Batterie für Wearables

Da der Markt für Smartphones mit einer Milliarde verkaufter Geräte im Jahr 2013 mittlerweile gesättigt ist, geht die Evolution mobiler Kommunikationsgeräte ihren nächsten Schritt. Jetzt kommen sogenannte Wearables, die der Benutzer direkt am Körper trägt. Zu den ersten großen Hoffnungsträgern dieses jungen Milliardenmarktes zählen Smartwatches. Motorola hat bereits die Moto 360 auf den Markt geschickt, eine Uhr, die mit einer Sprachsteuerung beispielsweise in Windeseile eine SMS verschicken kann. Apple könnte noch dieses Jahr mit der heiß ersehnten iWatch nachziehen.

Die Stromversorgung der Wearables war bislang ihre Achillesferse. Denn Entwickler verlangen von Akkuherstellern wahre Wunderwerke. Batterien sollen nicht nur ausreichend Energie speichern, sondern auch klein, leicht und am besten biegsam sein.

0,0009 Millimeter Nickelfluorid-Schicht dient als Elektrode 

Ein Durchbruch in der Akkuforschung könnte nun US-Chemikern gelungen sein. Mitarbeiter der Rice University in Houston machten sich vor einiger Zeit auf die Suche nach einem Material, das die Vorteile von Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen und leitfähigen Polymeren mit ausreichender Speicherkapazität kombiniert. „Es gab bislang wirklich gute, flexible Speichersysteme auf Kohlenstoffbasis“, erklärt Wissenschaftler Yang Yang. „Aber Kohlenstoff hat nie die Speicherkapazitäten anorganischer Systeme erreicht.“ Den Durchbruch erzielte Yang schließlich mit einer hauchdünnen Schicht Nickelfluorid.

Die biegsame Batterie ist nur ein Viertelmillimeter dick. Die äußeren Lagen bestehen aus 900 Nanometer dünnen Nickelfluorid-Schichten mit winzigen Poren und dienen als Elektroden. Sie umhüllen eine Elektrolytschicht aus Kaliumhydroxid. 

Quelle: Rice University

 Die Dicke dieser Schicht Nickelfluorid ist ziemlich unvorstellbar. Sie misst lediglich 900 Nanometer, also 0,0009 Millimeter. In diese Schicht ätzten die Chemiker unzählige Poren, deren Größe mit lediglich fünf Nanometern noch viel unvorstellbarer ist. Durch die Nanoporen erhalten die Nickelfluorid-Elektroden eine viel größere Oberfläche und damit eine größere Speiherkapazität. Anschließend bauten die Forscher eine Art Sandwich: Dabei nutzten sie zwei Nickelfluorid-Elektroden, um in Vinylalkohol eine feste, aber flexible Elektrolytschicht aus Kaliumhydroxid zu umhüllen. Das Ergebnis war eine nur einen Viertelmillimeter dicke, flexible Batterie.

Erste Firmen zeigen Interesse an biegsamer Batterie

 Verglichen mit einer Lithium-Batterie sei die neue Struktur einfach und stabil, erklärt Yang. „Sie verhält sich wie eine Batterie, aber die Struktur ist die eines Superkondensators.“ Die Struktur könne also elektrische Energie nicht nur auf elektrochemischem Wege speichern, sondern optional auch auf elektrostatischem. Das mache die Auf- und Entladung wesentlich schneller. Ein Versprechen, das angeblich schon mehrere interessierte Firmen angelockt hat. Die Batterie ließe sich laut Forschern industriell wahrscheinlich noch dünner herstellen oder für größeren Energiebedarf auch dicker und in mehreren Lagen.

Ausführlichen Labortests hielt der biegsame Akku bereits stand. Auch nach zehntausendmaligem Aufladen behielt der Prototyp 76 Prozent seiner Kapazität. Die Forscher konnten ihn außerdem mehr als tausendmal verbiegen. „Das ist nicht so einfach, weil Materialien mit so hoher Kapazität normalerweise brüchig sind“, sagt Yang.