ETH Zürich: Forscher entwickeln bieg-, dehn- und faltbaren Akku
Forscher der ETH Zürich um den Professor für Multifunktionsmaterialien Markus Niederberger haben eine Batterie entwickelt, die vollständig aus weichen Materialien besteht und sich biegen, dehnen, verdrehen und falten lässt. Sie soll die Basis für größere Akkus in faltbaren Smartphones und in Kleidung bilden.
Derzeitige Lithiumionenbatterien sind starr und geraten bei Beschädigung durch übermäßige Beanspruchung etwa durch das Biegen leicht in Brand, was sie für den Einsatz in Kleidungsstücken und biegsamen Elektronikgeräten weitgehend ungeeignet macht. Der Prototyp der flexiblen Dünnfilm-Batterie von der ETH Zürich kann hingegen gebogen, verdreht und gedehnt werden, ohne dass die Stromversorgung abbricht.
Kernstück dieser neuen Batterie ist der Hydrogel-Elektrolyt, also der Teil einer Batterie, durch den sich die Lithium-Ionen beim Entladen oder Laden der Batterie bewegen müssen. Entwickelt wurde der Elektrolyt von ETH-Doktorand Xi Chen. Der sandwichartige Aufbau der Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus, die Forscher verwendeten aber erstmals ausschließlich flexible Bauteile, um die Batterie als Ganzes biegsam und dehnbar zu halten.
Silberflocken wie Dachziegel
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 trugen die Wissenschaftler eine dünne Schicht aus winzigen Silberflocken auf. Durch die dachziegelartige Anordnung der Silberflocken verlieren sie den Kontakt zueinander 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.
Mithilfe einer Maske sprühten die Forscher dann Anoden- respektive Kathoden-Pulver in einem genau begrenzten Bereich auf die Silberschicht. Das Kathodenpulver enthält Lithiummanganoxid, die Anode Vanadiumoxid.
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Aufbau der dehnbaren Dünnfilm-Batterie (Bild: Gruppe Niederberger, ETH Zürich)
Gel-Elektrolyt auf Wasserbasis
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.
Dieses Gel ist umweltfreundlicher als bisherige, giftige und brennbare Elektrolytflüssigkeiten, wie Niederberger betont. Diejenige, die sein Doktorand Xi Chen entwickelte, basiert hingegen auf Wasser. Im Gel in hoher Konzentration eingebracht ist ein Lithiumsalz, das nicht nur die Wanderung der Lithiumionen zwischen Kathode und Anode während des Ladens und Entladens ermöglicht, sondern auch die elektrochemische Zersetzung des Wassers verhindert.
Für die Praxis mangelt es noch an Dichtigkeit
Für ihren Prototyp fügten die Wissenschaftler die verschiedenen Bestandteile mit Klebstoff zusammen. In der kommerziellen Praxis kann diese Technik jedoch nicht eingesetzt werden, da keine langfristige Dichtigkeit garantiert werden kann. Für die Kommerzialisierung des Akkus muss deshalb noch ein Verfahren gefunden werden, das dies gewährleistet. Auch die Beladung mit Elektrodenmaterial müsste noch erhöht werden.