Erweiterbare Akkus machen die Elektronik noch flexibler

Der erweiterbare Akku erfreut sich zunehmender Beliebtheit in der Elektronikindustrie, wo er eines Tages als Energiespeichermedium in Fitness-Trackern, tragbaren elektronischen Geräten und sogar intelligenter Kleidung dienen könnte.

Forscher glauben, dass das Konzept im Laufe des nächsten Jahrzehnts an Wert gewinnen wird, da elektronische Geräte immer näher an die menschliche Haut heranrücken. „Für viele Anwendungen, wie zum Beispiel tragbare Geräte, ist Dehnbarkeit notwendig, da sich unsere Haut bei Bewegung dehnt“, sagte James Pikul, Professor für Maschinenbau an der University of Wisconsin-Madison. „Eine Batterie, die sich nur nachgibt, wäre unbequem zu tragen.“

Eine dehnbare Batterie verhält sich wie ein Gummiband, während flexible Batterien eher wie ein Stück Papier sind, das sich biegen lässt, sich aber nicht dehnt.

Pikul und andere auf der ganzen Welt arbeiten jetzt an dehnbaren Batterien. Die neuen Batterien unterscheiden sich von den allgemein bekannten „flexiblen Batterien“ dadurch, dass sie axialen Zugkräften standhalten:das heißt Längskräfte auf einen Körper, die Zug und Druck umfassen und sich bei Einwirkung einer solchen Kraft elastisch dehnen. Im Wesentlichen verhält sich eine dehnbare Batterie wie ein Gummiband, während flexible Batterien eher wie ein Stück Papier sind, das sich biegen lässt, sich aber nicht dehnt.

Korrekturen sprechen für eine Dehnung

Das jüngste Interesse an erweiterbaren Batterien ist auf die zunehmende Verwendung tragbarer Pflaster ohne Stromversorgung zurückzuführen, die Blut und sogar Schweiß überwachen. Gatorade zum Beispiel verkauft jetzt ein Hautpflaster namens Gx Sweat Patch, mit dessen Hilfe die persönliche Flüssigkeitszufuhr verfolgt werden kann. Viele andere Unternehmen bieten tragbare medizinische Pflaster an, von denen viele von der Integration einer Stromquelle profitieren würden. „Wir sehen, dass Mikroelektronik überall eingesetzt wird“, sagte Thierry Djenizian, Professor in der Abteilung für flexible Elektronik an der École des Mines de Saint-Etienne in Frankreich. „Und diese elektronischen Geräte brauchen Strom. Eine Lösung besteht darin, völlig unsichtbare Mikrobatterien zu entwickeln.

„Wir haben die Batterie gedehnt, verdreht, mit einem Hammer darauf geschlagen und trotzdem gezeigt, dass sie trotz all dieser Verformungen einen Servomotor konstant antreiben kann.“ –James Pikul, University of Wisconsin, Madison

Djenizian ist Teil einer Gruppe, die im Februar einen Artikel in der Zeitschrift veröffentlichte Fortschrittliche Materialtechnologien auf einem erweiterbaren Lithium-Ionen-Drahtakku. Die kabelgebundene Batterie mit einem Durchmesser von 1,4 Millimetern und einer Länge von mehr als 20 Zentimetern nutzt gedrehtes Kupfergewebe als Stromkollektor. Es wurde aus herkömmlichen Batteriechemikalien wie Lithium-Kobaltoxid (LCO) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA, zeitweise in Tesla-Autos beliebt) hergestellt. Die Forscher berichten, dass ihre Batterie um bis zu 22 % erweitert werden kann und in Anwendungen wie biomedizinischen Pflastern, Gesundheits-Trackern, intelligenten Textilien und Armbanduhren eingesetzt werden kann. Djenizian sagte, dass der Reiz des Trommelns vor allem in seiner einfachen Zweckmäßigkeit liegt. „Wenn Sie eine Yoga-Strecke machen, kann es sein, dass Ihnen Ihr Hemd hochrutscht. Und wenn Sie Akkus haben, die nicht erweiterbar sind, werden Sie es spüren. »

Ebenso ist Pikul Teil einer Gruppe, die im März einen Artikel in der Zeitschrift veröffentlichte Fortschrittliche Funktionsmaterialien auf erweiterbaren Metall-Luft-Batterien. Die neue Metall-Luft-Batterie berücksichtigt eine einfache Tatsache in Bezug auf die Batterielebensdauer: Hartmetalle können gute Anoden und Kathoden ergeben, aber sie dehnen sich nicht. Die Lösung für dieses Dilemma ist eine Architektur, bei der die Metallelektroden der Batterie frei zwischen ihrem Gehäuse und ihrem Elektrolyten gleiten können MACHEN dehnbar.

Das Ergebnis ist, dass die Arbeitsteile der Batterie – Anode und Kathode – nicht gedehnt werden müssen. Sie gleiten im Wesentlichen über die Oberfläche des Elektrolyten. Der Elektrolyt besteht aus einem Hydrogel, einer Substanz, die etwa die Konsistenz einer weichen Kontaktlinse hat. „Anode und Kathode sind Blöcke und gleiten einfach über die anderen Komponenten, die für die Streckung sorgen“, erklärte Pikul. Die kabelgebundene Batterie verwendet eine Metallanode, normalerweise Zink, und ein mit Platin beladenes Kohlenstoffgewebe als „Luft“-Kathode. Die Batterie ist nicht wiederaufladbar und kann unter anderem in medizinischen Pflastern und Hörgeräten eingesetzt werden.

Fügen Sie der Mischung Zink hinzu

Forscher entwickeln außerdem auf Sicherheit ausgelegte erweiterbare Batterien, die sogar in Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen die kabelgebundene Batterie beispielsweise mit der feuchten Haut eines schwitzenden Benutzers in Kontakt kommt. In einem im Februar in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel WenigLaut den Autoren Zhao Wang und Jian Zhu liegt der Schlüssel zu diesen Batterien in der dehnbaren Zinkionenchemie, die einen wässrigen Elektrolyten verwendet. Solche Batterien seien sicherer als Lithium-Ionen-Batterien, die einen „von Natur aus entflammbaren“ organischen Elektrolyten verwenden, heißt es. „Dehnbare wässrige Elektrolytbatterien können uns während der Verformung absolute Sicherheit und zuverlässige Stromversorgung bieten“, schrieb Zhu in einer E-Mail.

Die Autoren beschreiben zahlreiche Zinkionenchemien, die hauptsächlich eine Zinkanode und eine Manganoxidkathode oder eine Silberkathode umfassen. Die Energiekapazität expandierbarer Zinkionen reicht von einigen Milliamperestunden pro Gramm bis zu 300 Milliamperestunden pro Gramm. „Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien haben erweiterbare Zink-Ionen-Batterien eine geringere Energiedichte, können aber die meisten stromverbrauchenden Module mit Strom versorgen“, darunter Sensoren, Transistoren und Displays, sagte ein Zhu. Mit sorgfältiger Technik, sagte er, können Batterien um mehr als 900 Prozent gedehnt werden.

Im Gegensatz zu Mobiltelefonbatterien, die einen Großteil des Volumens und Gewichts des Gesamtprodukts verbrauchen, wird erwartet, dass die neue Generation erweiterbarer Batterien praktisch unsichtbar ist. Die meisten haben einen Durchmesser von weniger als zwei Millimetern und wiegen nur wenige Gramm.

Darüber hinaus scheint die Haltbarkeit bei dünnen, erweiterbaren Akkus kein Problem zu sein. Die Forscher sagten, sie hätten ihre erweiterbaren Batterien ohne Zwischenfälle erheblichem Missbrauch ausgesetzt. „Wir haben die Batterie gedehnt, verdreht, mit einem Hammer darauf geschlagen und trotzdem gezeigt, dass sie trotz all dieser Verformungen einen Servomotor konstant antreiben kann“, sagte Pikul.

Batterieexperten glauben, dass das erweiterbare Konzept realisierbar ist und wahrscheinlich einen Markt finden wird. „Ja, im Prinzip könnte eine erweiterbare Batterie hergestellt werden, vorausgesetzt, es gäbe eine geeignete Anode“, sagte Donald Sadoway, ein pensionierter MIT-Professor für Materialwissenschaften und Gründer der Sadoway Labs Foundation, einer gemeinnützigen Forschungseinrichtung, deren Ziel es ist die Entdeckung neuer Batterien. „Aber vielleicht braucht es Flexibilität, nicht unbedingt Dehnung.“ Sadoway fügte hinzu, dass er in den 1990er Jahren eine Reihe erweiterbarer Armbanduhren gebaut habe, aber der Meinung sei, dass es für den Markt noch zu früh sei.

Derzeit wissen Forscher nicht, wann die neue Batteriegeneration auf den Markt kommen wird, sie gehen jedoch von einer steigenden Nachfrage aus. „In den letzten zehn Jahren gab es all diese Fortschritte in der dehnbaren Elektronik, und jetzt gibt es viele neue Anwendungen“, sagte Pikul. „Es besteht also Bedarf, diese erweiterbaren Geräte mit Strom zu versorgen, und die logische Lösung besteht darin, erweiterbare Batterien zu haben.“