Mithilfe flüssiger Elektroden haben Forscher der Universität Linköping eine Batterie entwickelt, die jede beliebige Form annehmen kann. Diese weiche und anpassungsfähige Batterie kann auf völlig neue Weise in zukünftige Technologien integriert werden. Ihre Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht .
„Die Textur ähnelt ein wenig der von Zahnpasta. Das Material kann beispielsweise in einem 3D-Drucker verwendet werden, um die Batterie nach Belieben zu formen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für eine Technologie“, sagt Aiman ??Rahmanudin, Assistenzprofessor an der Universität Linköping.
Schätzungen zufolge werden in zehn Jahren mehr als eine Billion Geräte mit dem Internet verbunden sein. Neben traditionellen Technologien wie Mobiltelefonen, Smartwatches und Computern könnten dazu auch tragbare medizinische Geräte wie Insulinpumpen, Herzschrittmacher, Hörgeräte und verschiedene Sensoren zur Gesundheitsüberwachung gehören, langfristig aber auch Softrobotik, E-Textilien und vernetzte Nervenimplantate.
Damit all diese Gadgets für den Benutzer nicht behindernd funktionieren, müssen neue Batterietypen entwickelt werden.
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Thor Balkhed
„Batterien sind die größten Komponenten aller elektronischen Geräte. Heute sind sie massiv und recht sperrig. Mit einer weichen und anpassungsfähigen Batterie gibt es jedoch keine Designbeschränkungen. Sie lässt sich völlig anders in die Elektronik integrieren und an den Benutzer anpassen“, sagt Aiman Rahmanudin.
Gemeinsam mit seinen Kollegen am 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 mechanischen Funktionen, wie dehnbaren gummiartigen Verbundwerkstoffen oder aufeinander gleitenden Verbindungen. Dies löst jedoch nicht den Kern des Problems: Eine große Batterie hat zwar eine höhere Kapazität, doch 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 Starrheit ist“, sagt Aiman ??Rahmanudin.
Flüssige Elektroden wurden bereits in der Vergangenheit getestet, jedoch ohne großen Erfolg. Damals wurden flüssige Metalle wie Gallium verwendet. Dieses Material kann jedoch nur als Anode fungieren und birgt das Risiko, beim Laden und Entladen zu verfestigen und seine flüssige Beschaffenheit zu verlieren. Zudem wurden für viele der bisher hergestellten dehnbaren Batterien seltene Materialien verwendet, deren Abbau und Verarbeitung erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Die Forscher am LiU Campus Norrköping haben ihre Soft-Batterie stattdessen auf leitfähigen Kunststoffen (konjugierten Polymeren) und Lignin, einem Nebenprodukt der Papierproduktion, aufgebaut. Die Batterie kann über 500 Mal geladen und entladen werden und behält dabei ihre Leistung. Sie kann auch auf die doppelte Länge gedehnt werden und funktioniert weiterhin genauso gut.
„Da die Materialien der Batterie aus konjugierten Polymeren und Lignin bestehen, sind die Rohstoffe reichlich vorhanden. Indem wir ein Nebenprodukt wie Lignin zu einem hochwertigen Rohstoff wie Batteriematerial verarbeiten, tragen wir zu einem Kreislaufmodell bei. Es handelt sich also um eine nachhaltige Alternative“, sagt Mohsen Mohammadi, Postdoktorand am LOE und einer der Hauptautoren des in Science Advances veröffentlichten Artikels .
Der nächste Schritt besteht darin, die elektrische Spannung in der Batterie zu erhöhen. Laut Aiman ??Rahmanudin gibt es derzeit noch einige Einschränkungen, die überwunden werden müssen.
„Die Batterie ist nicht perfekt. Wir haben gezeigt, dass das Konzept funktioniert, aber die Leistung muss verbessert werden. Die Spannung beträgt derzeit 0,9 Volt. Daher prüfen wir nun, ob wir andere chemische Verbindungen verwenden können, um die Spannung zu erhöhen. Eine Möglichkeit, die wir prüfen, ist die Verwendung von Zink oder Mangan, zwei Metallen, die in der Erdkruste häufig vorkommen“, sagt Aiman ??Rahmanudin.
