Energieversorgung für Wearables 18.06.2014, 08:40 Uhr

Chinesen entwickeln drahtförmige Akkus für T-Shirts

Sie sind leicht, dehnbar und sicher zugleich: Drahtförmige Akkus aus Kohlenstoffnanoröhrchen. Sie lassen sich in T-Shirts einweben und sollen in Zukunft Herstellern der Wearables bei neuen Entwicklungen zur Seite stehen.  

Zu den Herstellern der Wearables zählt auch OMSignal: Das US-amerikanische Start-up stattet T-Shirts mit Sensoren aus, die Sportler über ihre Körperaktivität auf dem Laufenden halten.

Zu den Herstellern der Wearables zählt auch OMSignal: Das US-amerikanische Start-up stattet T-Shirts mit Sensoren aus, die Sportler über ihre Körperaktivität auf dem Laufenden halten.

Foto: OMSignal

Sind derzeit noch Smartphones der Platzhirsch auf dem Markt mobiler Endgeräte, werden in Zukunft die sogenannten Wearables zu immer stärkeren Konkurrenten – allen voran intelligente Armbänder, Brillen mit eingebautem Computer und Smartwatches, die genau wie das Smartphone zur Plattform für Social Media- und E-Mail-Dienste werden. Zu den Trends gehört auch, Elektronik direkt in Textilien einzubauen. Experten zufolge soll der Umsatz mit dieser tragbaren Elektronik zwischen 2014 und 2016 um 90 Prozent ansteigen.

Um auf dem Zukunftsmarkt vorne mitschwimmen zu können, erwarten Hersteller der Wearables von der Batterieindustrie wahre Wunderwerke. Batterien sollen nicht nur ausreichend Energie speichern, sondern auch klein, leicht und am besten dehnbar sein. Während US-Chemiker erst kürzlich eine ultraflache, biegsame Batterie für Wearables entwickelt haben, gehen chinesische Wissenschaftler einen anderen Weg: Sie haben drahtförmige Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, die sich zu leichten, dehnbaren und sicheren Textilakkus mit hoher Energiedichte verweben lassen.

Kohlenstoffnanoröhrchen dienen als Elektroden

Dass die Akkus so effizient sind, liegt laut Wissenschaftlern an ihrem speziellen Aufbau und der Materialwahl: Als Anode und Kathode dienen zwei Fäden aus parallel ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen, in die Nanopartikel aus Lithiumtitanoxid (LTO) und Lithiummanganoxid (LMO) eingelagert sind.

In die beiden Kohlenstoffnanoröhrchen (rot und blau) sind Nanopartikel aus Lithiumtitanoxid (LTO) und Lithiummanganoxid (LMO) eingelagert. Während des Aufladens lagern sich Lithiumionen des LMO-Gitters im LTO-Gitter der Anode ein.

In die beiden Kohlenstoffnanoröhrchen (rot und blau) sind Nanopartikel aus Lithiumtitanoxid (LTO) und Lithiummanganoxid (LMO) eingelagert. Während des Aufladens lagern sich Lithiumionen des LMO-Gitters im LTO-Gitter der Anode ein.

Quelle: Wiley-VCH

Während des Aufladens lagern sich Lithiumionen des LMO-Gitters im LTO-Gitter der Anode ein. Beim Entladen findet der umgekehrte Prozess statt. Die beiden Elektrodenfäden sind durch eine Isolationsschicht getrennt und lassen sich mit einer Art Schrumpfschlauch zusammenhalten.

Akkus lassen sich in T-Shirts einweben

Die drahtförmigen Akkus scheinen prädestiniert für den Einsatz in Textilien: Sie lassen sich zu langen Fäden und diese zu einem Gewebe verflechten, das man anschließend in Textilien einarbeiten kann. Um die Dehnbarkeit zu gewährleisten, wickeln die Wissenschaftler die Drähte um einen elastischen Faden aus Polydimethylsiloxan und beschichten sie mit einer dünnen Schicht eines Gel-Elektrolyten. Das Resultat: Weder wiederholtes Dehnen auf die doppelte Länge noch Tausende von Deformationszyklen beinträchtigen die Kapazität der Akkus.

Und auch ein wesentliches Sicherheitsproblem bisheriger vergleichbarer Entwicklungen konnten die chinesischen Forscher ausräumen: In Lithium-Ionen-Akkus kann nämlich beim Überladen sogenanntes dendritisches Lithium entstehen. Es wächst aus der Anode heraus und kann durch Kurzschluss einen Akkubrand verursachen. Bei den neuen drahtförmigen Akkus sei das Risiko von Kurzschlüssen aufgrund dendritischen Lithiums allerdings sehr gering, so die Wissenschaftler, weil das Einlagern des Lithiums an der LTO-Verbundelektrode bei etwa 1,5 Volt (gegen Li/Li+) stattfindet. 

Ein Beitrag von:

  • Patrick Schroeder

    Patrick Schroeder arbeitet als freiberuflicher Journalist für Zeitschriften und Onlinemagazine wie die VDI Nachrichten und Ingenieur.de.

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