Textile Elektronik 26.10.2016, 07:11 Uhr

Flexibler Akku im Pullover kann sich selbst reparieren

Smarte Kleidung liegt im Trend. Für die tragbare Elektronik müssen die Akkus biegsam sein. Wenn diese beschädigt werden, drohen Verätzungen durch auslaufende Chemikalien. Forscher haben jetzt einen flexiblen Akku entwickelt, der bei einem Bruch oder Schnitt einfach wieder zusammenwächst.

Dieser sportliche Mann trägt smarte Kleidung von OMsignal, mit Elektronik die unter anderem den Herzschlag misst. Forscher in China und Südkorea haben einen biegsamen Akku entwickelt, der sich bei einer Beschädigung ganz von alleine heilen kann.

Dieser sportliche Mann trägt smarte Kleidung von OMsignal, mit Elektronik die unter anderem den Herzschlag misst. Forscher in China und Südkorea haben einen biegsamen Akku entwickelt, der sich bei einer Beschädigung ganz von alleine heilen kann.

Foto: OMsignal

Tragbare Elektronik in der Kleidung ist angesagt. Da leuchten dank winziger LEDs hippe Symbole auf dem T-Shirt, ein Lichtband säumt das Kleid, oder elektronische Sensoren melden der Smartphone-App den Flüssigkeitsverlust beim Laufen. Für diesen Trend gibt es auch schon flexible Lithium-Ionen-Akkus, die in die Kleidung integriert werden. Sie lassen sich ohne Probleme biegen und zusammenfalten.

Allerdings können sie brechen, wenn sie stark verdreht werden, was bei Kleidung im Eifer des Gefechts durchaus einmal vorkommen kann. Auch ein versehentlicher Schnitt ist bei Textilien durchaus denkbar. Dann können ernsthafte Sicherheitsprobleme entstehen: brennbare, giftige oder ätzende Gase sowie Flüssigkeiten austreten. Das will wohl niemand am eigenen Körper erleben – weder beim Joggen noch beim leuchtenden Auftritt in der Disco.

Alle Akku-Komponenten sind aus selbstheilenden Materialien 

Da kommt eine Erfindung aus China und Südkorea gerade recht: Forscher um Yonggang Wang von der Fudan Universität in Shanghai haben gemeinsam mit Wissenschaftlern der Forschungszentren von Samsung in China und Südkorea einen biegsamen Akku entwickelt, der sich nach einer Beschädigung beispielsweise durch einen Schnitt ganz von alleine heilen kann.

Dieser um den Arm der Puppe gewickelte Akku wurde komplett durchtrennt. Nach wenigen Sekunden war er geheilt und brachte die LED-Lampe am Puppenhals wieder zum Leuchten.

Dieser um den Arm der Puppe gewickelte Akku wurde komplett durchtrennt. Nach wenigen Sekunden war er geheilt und brachte die LED-Lampe am Puppenhals wieder zum Leuchten.

Foto: Fudan University/Wiley

Selbst bei einer kompletten Durchtrennung des Akkus wächst diese Wunderbatterie innerhalb weniger Minuten wieder vollständig zusammen. Dies gelingt, weil alle Komponenten der Batterie aus selbstheilenden Materialien bestehen. Die Moleküle dieser Substanzen bilden innerhalb von wenigen Sekunden nach einer Durchtrennung neue chemische Bindungen aus, und die Lücke im Akku wird schließt sich wieder. 

Schichten aus parallel angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Die Elektroden des Akkus bestehen aus Schichten parallel angeordneter Kohlenstoff-Nanoröhren, die auf einem selbstheilenden Polymer fixiert sind. Dazwischen liegen zwei verschiedene Lithiumverbindungen in Form von Nanopartikeln. Für die eine Elektrode haben die Forscher Lithium-Manganoxid ausgewählt, für die andere Elektrode kam eine Lithium-Titan-Phosphatverbindung zum Einsatz.

In den Kragen der Lederjacke sind zwei Lautsprecher und ein Mikrofon eingebaut. Dadurch kann man mit der Jacke Musik hören oder beim Telefonieren frei sprechen.

In den Kragen der Lederjacke sind zwei Lautsprecher und ein Mikrofon eingebaut. Dadurch kann man mit der Jacke Musik hören oder beim Telefonieren frei sprechen.

Foto: Teiimo

Die Wissenschaftler betonen, dass die Beschaffenheit der Elektroden verhindert, dass sie auslaufen und dabei gefährliche chemische Prozesse in Gang setzen. Zwischen diesen Elektroden befinden sich zwei unterschiedliche Lithium-Verbindungen als Trennschicht, ebenfalls in Form von Nanopartikeln. Dieses neuartige, lösemittelfreie Elektrolyt besteht aus einem Cellulose-basierten Gel, in das eine wässrige Lithium-Sulfat-Lösung eingebettet ist.

Bruchstellen für einige Sekunden zusammendrücken

Nach einem Bruch oder Schnitt reicht es aus, die beiden Bruchstellen für einige Sekunden zusammenzudrücken. Nicht nur das selbstheilende Polymer, auch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen kleben dann dank ihrer parallelen Ausrichtung wieder perfekt aneinander. Bei Schichten aus ungeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen würde diese Haftung nicht gut funktionieren.

Das Gel-Elektrolyt ist an der Luft stabil und kann sich nicht zersetzen wie das bei herkömmlichen Elektrolyten der Fall ist. Zudem ist es frei von organischen Lösemitteln, es ist nicht brennbar und auch nicht giftig.

„Für tragbare und in Kleidung integrierte Elektronik gut geeignet“

Zudem ist der neue biegsame und selbstheilende Akku außerordentlich robust. In einer Art Belastungstest zerschnitten die Wissenschaftler wiederholt einen Akku, den sie um den Arm einer Puppe gewickelt hatten.

Mit Elektronik bestückte Kleidung ist auf dem Vormarsch. Die Joggerin auf dem Bild jedenfalls läuft oben mit smartem Sportdress.

Mit Elektronik bestückte Kleidung ist auf dem Vormarsch. Die Joggerin auf dem Bild jedenfalls läuft oben mit smartem Sportdress.

Foto: OMsignal

Weder die Kapazität, noch die Ladefähigkeit hat laut den Forschern bei wiederholten Brüchen und darauf folgenden Selbstheilungen gelitten. Fazit der Wissenschaftler: „Dies demonstriert, dass diese selbstheilenden Akkus für tragbare und in Kleidung integrierte Elektronik gut geeignet sind.“

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