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Lithium-Ionen-Akkus Forscher entwickeln biegsame Batterie

| Redakteur: Katharina Juschkat

Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, eine Batterie zu entwickeln, die sich drehen, biegen und dehnen lässt. Denkbar wären damit zum Beispiel rollbare Displays.

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Die Batterie lässt sich verdrehen, dehnen und biegen, ohne dass der Stromfluss abbricht.
Die Batterie lässt sich verdrehen, dehnen und biegen, ohne dass der Stromfluss abbricht.
(Bild: Gruppe Niederberger, ETH Zürich)

Smartphones, die sich falten lassen, sind seit kurzem auf dem Markt. Der Trend bewegt sich weiter Richtung falt- und biegbare Bildschirme. Die Herausforderung an die Elektronik ist groß, und vor allem ein Bauteil ist schwer und lässt sich nicht biegen: Die Batterie. Forscher der ETH Zürich haben jetzt eine sandwichartig aufgebaute Dünnfilm-Batterie entwickelt, die sich verdrehen, biegen und dehnen lässt – perfekt für die faltbaren Elektronikgeräte der Zukunft. Details wurden in „Advanced Materials“ publiziert.

Lithium-Ionen-Akku aus flexiblen Bauteilen

Das Team um ETH-Professor Markus Niederberger hat einen Prototypen entwickelt, dessen Kern ein Elektrolyt ist. Der Elektrolyt ist der Teil einer Batterie, durch den sich die Lithium-Ionen bei den Lade- und Entaldevorgängen bewegen müssen. Der sandwichartige Aufbau der neuartigen Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus. Die Forscher haben aber erstmals nur flexible Bauteile verwendet, um die Batterie als Ganzes biegsam und dehnbar zu halten. „So konsequent wie wir hat bisher noch niemand ausschließlich flexible Komponenten eingesetzt, um einen Lithium-Ionen-Akku herzustellen“, sagt Forschungsleiter Markus Niederberger.

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Die beiden Stromsammler für die Anode und die Kathode bestehen aus einem dehnbaren Kunststoff, der elektrisch leitenden Kohlenstoff enthält. Dieser ist zugleich Außenhülle. Auf die Innenseite des Kunststoffs wurde eine dünne Schicht aus winzigen Silberflocken aufgetragen. Durch die dachziegelartige Anordnung verlieren sie den Kontakt auch dann nicht, wenn der Kunststoff stark gedehnt wird. Das garantiert die Leitfähigkeit des Stromsammlers, selbst wenn er stark gestreckt wird. Verlieren die Silberflocken den Kontakt zueinander dennoch, fließt der elektrische Strom – wenn auch schwächer – durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff.

Prototyp noch nicht ausgereift

Mithilfe einer Maske haben die Wissenschaftler ein Anoden- respektive Kathoden-Pulver in einem genau begrenzten Bereich auf die Silberschicht gesprüht. Das Kathoden-Pulver enthält Lithiummanganoxid, die Anode Vanadiumoxid. Separiert durch eine Trennschicht, die einem Bilderrahmen gleicht, legten die Wissenschaftler schließlich die beiden Stromsammler mit den aufgebrachten Elektroden aufeinander und füllten die Lücke im Rahmen mit Elektrolytgel. Der Projektleiter Niederberger betont, dass das Gel umweltfreundlicher sei als bisherige: „Elektrolytflüssigkeiten in heutigen Batterien sind giftig und brennbar.“ Die hier verwendeten basieren auf Wasser.

Seminartipp

Das Seminar „Batterien – Grundlagen und Anwendungen“ vermittelt die nötigen technischen wie wirtschaftlichen Grundlagen verfügbarer Batterietechnologien.

Ausgereift ist der Prototyp derweil noch nicht: Aktuell verwenden die Forscher Klebstoff, um die verschiedenen Bestandteile zusammenzuhalten – doch langfristig hält das nicht dicht. „Wenn wir die Batterie kommerzialisieren wollen, müssen wir ein anderes Verfahren finden, damit sie langfristig dicht bleibt“, so Niederberger. Auch muss noch die Beladung mit Elektrodenmaterial erhöht werden, bevor an eine Kommerzialisierung zu denken ist.

Anwendungen von rollbaren Displays bis funktionale Textilien

Mit den dehnbaren Batterien wären verschiedene Anwendungen denkbar. Von den schon im Einsatz befindlichen biegsamen Displays über rollbare Computerbildschirme, Smartwatches und Tablets oder funktionale Textilien, die biegsame Elektronik enthalten. Der Vorteil, falls die Batterie doch auslaufe: Die Flüssigkeit verursacht keine Schäden.

Die Elektronikbranche setzt immer mehr auf Computer oder Smartphones mit falt- oder rollbaren Bildschirmen. In intelligenten Kleidern kommen tragbare Kleinstgeräte oder Sensoren zum Einsatz, um beispielsweise Körperfunktionen zu überwachen. All diese Geräte brauchen jedoch eine Energiequelle, und in der Regel ist dies eine Lithiumionenbatterie. Nur: solche Batterien sind schwer und rigid und damit im Prinzip ungeeignet für Anwendungen in flexiblen Elektronikgeräten oder Textilien.

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