Forscher:innen entwickeln dehnbare Lithium-Ionen-Batterie
Dehnbarkeit ist wahrscheinlich keine Eigenschaft, die die meisten Menschen mit Batterien in Verbindung bringen. Aber Batterien brauchen diese formverändernde Eigenschaft, um in flexible Elektronik integriert werden zu können. Jetzt entwickelt ein chinesisches Forschungsteam in ACS Energy Letters eine Lithium-Ionen-Batterie mit vollständig dehnbaren Komponenten, einschließlich einer Elektrolytschicht, die sich um 5.000 Prozent ausdehnen und ihre Ladungsspeicherkapazität nach fast 70 Lade-/Entladezyklen beibehalten soll.
Biegsame Batterie braucht Elastizität bei allen Teilen
Elektronik, die sich biegen und strecken lässt, benötigt Batterien mit ähnlichen Eigenschaften. Die meisten Forschenden, die versucht haben, solche Batterien zu bauen, haben sie mit gewebten leitfähigen Stoffen oder starren Komponenten hergestellt, die sie in dehnbare Formen gefaltet haben. Aber für eine wirklich biegsame Batterie müssen alle Teile – die Elektroden, die Ladungen sammeln, und die ladungsausgleichende mittlere Elektrolytschicht – elastisch sein.
Bisher hatten wirklich dehnbare Batterieprototypen viele Probleme. Dazu zählen eine mäßige Elastizität, komplexe Montageprozesse oder eine begrenzte Energiespeicherkapazität, insbesondere im Laufe der Zeit bei wiederholtem Laden und Entladen. Letzteres liegt möglicherweise an einer schwachen Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und den Elektroden oder an der Instabilität des flüssigen Elektrolyts, das sich bei Formveränderungen der Batterie bewegen kann.
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Forschungsteam hat gummiartige Schicht entwickelt
Anstatt eine Flüssigkeit zu verwenden, wollten Wen-Yong Lai und sein Team von der Nanjing University in China den Elektrolyten in eine Polymerschicht einbauen, die zwischen zwei flexiblen Elektrodenfolien verschmolzen ist. Durch dieses Verfahren wollten die Wissenschaftler:innen eine vollständig feste, dehnbare Batterie bauen. 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 haben sie eine Schicht aus Polydimethylsiloxan, einem flexiblen Material, das üblicherweise für Kontaktlinsen zum Einsatz kommt, auf die Paste aufgetragen. Direkt auf diese Schicht fügten die Forscher:innen ein Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit und die Zutaten für ein dehnbares Polymer hinzu. Wenn diese Komponenten durch Licht aktiviert werden, bilden sie eine feste, gummiartige Schicht, die sich auf bis zu 5.000 Prozent ihrer ursprünglichen Länge dehnen kann und in der Lage ist, Lithium-Ionen zu transportieren.
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Viel Potenzial für tragbare oder implantierbare Geräte
Schließlich haben die Forscher:innen den Stapel mit einem weiteren Elektrodenfilm überzogen und das Ganze mit einer Schutzschicht versiegelt. Im Vergleich zu einem ähnlichen Gerät mit einem herkömmlichen flüssigen Elektrolyten wies die neue Version laut dem Team eine etwa sechsmal höhere durchschnittliche Ladekapazität bei einer schnellen Aufladegeschwindigkeit auf. Ebenso behielt die Feststoffbatterie bei 67 Lade- und Entladezyklen eine stabilere Kapazität bei.
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 % abnahm, während sie beim flüssigen Elektrolyten um 16 % sank. Es seien noch Verbesserungen nötig, aber diese neue Methode zur Herstellung vollständig dehnbarer, fester Batterien könnte dem Team zufolge ein vielversprechender Schritt nach vorn für tragbare oder implantierbare Geräte sein, die sich mit dem Körper biegen und bewegen. Speziell im Gesundheitsbereich soll es hier viel Potenzial geben.
