Flexible Elektronik erfordert dehnbare Batterien, und Forscher haben nun eine Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, deren Komponenten vollständig dehnbar sind. Eine Schicht des Elektrolyten kann sich um 5000% ausdehnen und behält nach fast 70 Lade-/Entladezyklen ihre Ladekapazität.
Dehnbare Batterien für flexible Elektronik
Die Vorstellung einer dehnbaren Batterie ist ungewöhnlich, doch für flexible Elektronik, wie tragbare Gesundheitsmonitore, unerlässlich. Forscher haben in den ACS Energy Letters eine Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt, deren Komponenten – einschließlich einer Elektrolytschicht – vollständig dehnbar sind. Diese Schicht kann sich um 5000% ausdehnen und behält ihre Ladekapazität nach fast 70 Lade-/Entladezyklen bei.
Herausforderungen bei dehnbaren Batterien
Bislang basierten dehnbare Batterien auf gewebten leitfähigen Stoffen oder starren Komponenten, die in dehnbare Formen gefaltet wurden. Für eine wirklich flexible Batterie müssen jedoch alle Teile – sowohl die Elektroden als auch die Elektrolytschicht – elastisch sein. Bisherige Prototypen zeigten moderate Elastizität, komplexe Montageprozesse oder begrenzte Energiekapazitäten, insbesondere bei wiederholtem Laden und Entladen.
Ein häufiger Schwachpunkt war die Verbindung zwischen Elektrolytschicht und Elektroden oder die Instabilität flüssiger Elektrolyte, die sich bei Formänderungen der Batterie bewegen können. Daher entschieden sich Wen-Yong Lai und sein Team, den Elektrolyten in eine polymere Schicht zwischen zwei flexiblen Elektrodenfilmen einzubetten, um eine vollständig feste und dehnbare Batterie zu schaffen.
Aufbau der dehnbaren Batterie
Die Elektroden wurden durch das Auftragen eines dünnen Films aus leitfähiger Paste, bestehend aus Silbernanodrähten, Kohlenstoff und lithiumbasierten Kathoden- oder Anodenmaterialien, hergestellt. Darauf wurde eine Schicht Polydimethylsiloxan (PDMS), ein flexibles Material, aufgetragen. Direkt darüber fügten die Forscher ein Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit und Zutaten für ein dehnbares Polymer hinzu. Durch Lichtaktivierung bildeten diese Komponenten eine feste, gummiartige Schicht, die sich auf das 50-fache ihrer ursprünglichen Länge dehnen und Lithium-Ionen transportieren kann. Abschließend wurde die Batterie mit einer weiteren Elektrodenfolie bedeckt und in einer Schutzschicht versiegelt.
Vergleich und Leistung
Im Vergleich zu ähnlichen Geräten mit traditionellem flüssigem Elektrolyten zeigte das neue Design eine etwa sechsmal höhere durchschnittliche Ladekapazität bei schneller Ladegeschwindigkeit. Zudem behielt die feste Batterie eine stabilere Kapazität über 67 Lade-/Entladezyklen bei. In Prototypen mit festen Elektroden hielt der polymere Elektrolyt über 1000 Zyklen hinweg eine konstante Leistung, wobei die Kapazität in den ersten 30 Zyklen nur um 1% sank, verglichen mit einem 16% Rückgang beim flüssigen Elektrolyten.
Ausblick
Es sind noch Verbesserungen erforderlich, doch dieser neue Ansatz zur Schaffung vollständig dehnbarer, fester Batterien könnte einen vielversprechenden Schritt für tragbare oder implantierbare Geräte darstellen, die sich mit dem Körper bewegen.