„Die Textur ist ein bisschen wie Zahnpasta. Das Material kann zum Beispiel in einem 3D-Drucker verwendet werden, um die Batterie nach Belieben zu formen. Das eröffnet eine neue Art von Technologie“, sagt Aiman Rahmanudin, Assistenzprofessor an der Universität Linköping.
Man schätzt, dass in zehn Jahren mehr als eine Billion Geräte mit dem Internet verbunden sein werden. Neben traditionellen Technologien wie Mobiltelefonen, Smartwatches und Computern könnte es sich dabei auch um tragbare medizinische Geräte wie Insulinpumpen, Herzschrittmacher, Hörgeräte und verschiedene Sensoren zur Gesundheitsüberwachung handeln, und langfristig auch um Soft-Robotik, E-Textilien und verbundene Nervenimplantate.
Wenn all diese Geräte so funktionieren sollen, dass sie den Benutzer nicht behindern, müssen neue Batterietypen entwickelt werden.
Neues Verfahren und neue Materialien bringen Erfolg
„Batterien sind der größte Bestandteil der gesamten Elektronik. Heute sind sie massiv und ziemlich sperrig. Aber mit einer weichen und anpassungsfähigen Batterie gibt es keine Designeinschränkungen. Sie kann auf ganz andere Weise in die Elektronik integriert und an den Benutzer angepasst werden“, sagt Aiman Rahmanudin. Zusammen mit seinen Kollegen vom Labor für organische Elektronik (LOE) hat er eine Batterie entwickelt, die weich und formbar ist. Der Schlüssel dazu war ein neuer Ansatz - die Umwandlung der Elektroden von einer festen in eine flüssige Form.
Bisherige Versuche, weiche und dehnbare Batterien herzustellen, basierten auf verschiedenen Arten von mechanischen Funktionen, wie zum Beispiel gummiartigen Verbundmaterialien, die sich dehnen lassen, oder Verbindungen, die aufeinander gleiten. Dies geht jedoch nicht am Kern des Problems vorbei – eine große Batterie hat eine höhere Kapazität, aber mehr aktive Materialien bedeuten dickere Elektroden und damit eine höhere Steifigkeit.
„Hier haben wir dieses Problem gelöst und sind die ersten, die zeigen, dass die Kapazität unabhängig von der Steifigkeit ist“, sagt Aiman Rahmanudin.
Flüssige Elektroden wurden bereits in der Vergangenheit getestet, allerdings ohne großen Erfolg. Damals wurden flüssige Metalle wie Gallium verwendet. Doch dann kann das Material nur als Anode fungieren und birgt die Gefahr, dass es sich während des Auf- und Entladens verfestigt und damit seinen flüssigen Charakter verliert. Außerdem wurden für viele der bisher hergestellten dehnbaren Batterien seltene Materialien verwendet, die bei Abbau und Verarbeitung erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Die Forscher am LiU Campus Norrköping haben ihre weiche Batterie stattdessen auf leitfähige Kunststoffe (konjugierte Polymere) und Lignin, ein Nebenprodukt der Papierherstellung, aufgebaut. Die Batterie kann über 500 Mal aufgeladen und entladen werden und behält dabei ihre Leistung bei. Sie kann auch auf die doppelte Länge gedehnt werden und funktioniert dann immer noch genauso gut.
„Da es sich bei den Materialien in der Batterie um konjugierte Polymere und Lignin handelt, sind die Rohstoffe reichlich vorhanden. Indem wir ein Nebenprodukt wie Lignin in ein hochwertiges Produkt wie ein Batteriematerial umwandeln, tragen wir zu einem Kreislaufmodell bei. Es ist also eine nachhaltige Alternative“, sagt Mohsen Mohammadi, Postdoktorand am LOE und einer der Hauptautoren des in Science Advances veröffentlichten Artikels.
Spannung muss noch erhöht werden
Der nächste Schritt ist der Versuch, die elektrische Spannung in der Batterie zu erhöhen. Laut Aiman Rahmanudin gibt es derzeit noch einige Einschränkungen, die sie überwinden müssen.
„Die Batterie ist nicht perfekt. Wir haben gezeigt, dass das Konzept funktioniert, aber die Leistung muss noch verbessert werden. Die Spannung beträgt derzeit 0,9 Volt. Deshalb werden wir jetzt prüfen, ob wir andere chemische Verbindungen verwenden können, um die Spannung zu erhöhen. Eine Möglichkeit, die wir untersuchen, ist die Verwendung von Zink oder Mangan, zwei Metallen, die in der Erdkruste vorkommen“, sagt Aiman Rahmanudin.
Dieser Artikel wurde mit DeepL aus dem Englischen übersetzt.
