Elektronik, die sich biegen und strecken lässt, braucht Batterien mit ähnlichen Eigenschaften. Die meisten Forscher, die versucht haben, solche Batterien zu bauen, haben sie mit gewebten leitfähigen Stoffen oder starren Komponenten hergestellt, die in dehnbare Formen gefaltet wurden, ähnlich wie beim Origami.
Doch für eine wirklich biegsame Batterie müssen alle Teile – die Elektroden, die Ladungen sammeln, und die ladungsausgleichende mittlere Elektrolytschicht – elastisch sein. Bisher haben wirklich dehnbare Batterieprototypen eine mäßige Elastizität, komplexe Montageprozesse oder eine begrenzte Energiespeicherkapazität, insbesondere im Laufe der Zeit bei wiederholtem Laden und Entladen.
Letzteres kann auf eine schwache Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und den Elektroden oder auf eine Instabilität des flüssigen Elektrolyten zurückzuführen sein, der sich bei Formveränderungen der Batterie bewegen kann.
Elektrolyt in Polymerschicht integrieren
Anstatt eine Flüssigkeit zu verwenden, wollten Wen-Yong Lai und seine Mitarbeiter den Elektrolyten in eine Polymerschicht einbauen, die zwischen zwei flexiblen Elektrodenfolien verschmolzen ist, um eine vollständig feste, dehnbare Batterie zu schaffen.
Um die Elektroden für die voll elastische Batterie herzustellen, trug das Team einen dünnen Film aus leitfähiger Paste mit Silbernanodrähten, Ruß und Kathoden- oder Anodenmaterialien auf Lithiumbasis auf eine Platte auf.
Anschließend wurde eine Schicht aus Polydimethylsiloxan, einem flexiblen Material, das üblicherweise für Kontaktlinsen verwendet wird, auf die Paste aufgetragen. Direkt auf diese Schicht fügten die Forscher ein Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit und die Zutaten für ein dehnbares Polymer hinzu.
Bis zu 5.000 Prozent Ausdehnung
Wenn diese Komponenten durch Licht aktiviert werden, bilden sie eine feste, gummiartige Schicht, die sich bis zu 5.000 Prozent ihrer ursprünglichen Länge dehnen kann und in der Lage ist, Lithium-Ionen zu transportieren. Schließlich wurde der Stapel mit einem weiteren Elektrodenfilm überzogen und das Ganze mit einer Schutzschicht versiegelt.
Beim Vergleich der festen, dehnbaren Batterie mit einem ähnlichen Gerät mit einem herkömmlichen flüssigen Elektrolyten wies die neue Version eine etwa sechsmal höhere durchschnittliche Ladekapazität bei einer schnellen Ladegeschwindigkeit auf. Ebenso behielt die Feststoffbatterie eine stabilere Kapazität bei, während sie 67 Lade- und Entladezyklen durchlief.
Bei anderen Prototypen mit festen Elektroden hielt der Polymerelektrolyt den Betrieb über 1.000 Zyklen aufrecht, wobei die Kapazität in den ersten 30 Zyklen um 1 Prozent abnahm, während sie beim flüssigen Elektrolyten um 16 Prozent sank.
Es müssen noch Verbesserungen vorgenommen werden, aber diese neue Methode zur Herstellung vollständig dehnbarer, fester Batterien könnte ein vielversprechender Schritt nach vorn für tragbare oder implantierbare Geräte sein, die sich mit dem Körper biegen und bewegen.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
