13. August 2020 
 
16. Oktober 2019

K 2019: Flexible Batterie für neue Anwendungen

Wissenschaftler an der ETH Zürich haben sich mit der Entwicklung einer neuen Batterie aus weichen Materialien beschäftigt, die sich verdrehen, biegen und dehnen lässt. Über den Prototyp sprach DIE MESSE mit Markus Niederberger, Professor für Multifunktionsmaterialien.

Foto: Rami Al-zayat on UnsplashFoto: Rami Al-zayat on Unsplash
Ideal für biegsame Displays
Herr Niederberger, welche Lösung haben Sie denn für diese neuen Ansprüche an eine Batterie gefunden und wie kam es dazu?
Ich bin fasziniert von flexiblen elektronischen Geräten, also Smartphones oder Tablets, die man aufrollen kann und dann in die Hosentasche stecken. Diese Geräte sind alle noch in Entwicklung, aber sie werden entsprechende Batterie brauchen. Und dann sind wir hoffentlich bereit mit unserer Batterie! Die Herausforderung ist, dass alle Komponenten, die wir dafür verwenden, auch flexibel sein müssen. Der sandwichartige Aufbau der neuartigen Batterie orientiert sich an kommerziellen Akkus, aber wir verwendeten erstmals ausschließlich flexible Bauteile, um die Batterie als Ganzes biegsam und dehnbar zu halten. So konsequent wie wir hat bisher noch niemand ausschließlich flexible Komponenten eingesetzt, um einen Lithium-Ionen-Akku herzustellen

Wie ist die biegsame Batterie aufgebaut? Was macht sie so flexibel?
Ein Lithium-Ionen Akku besteht aus fünf Schichten: Eine Metallfolie (sogenannter Stromsammler), darauf eine Schicht aus Pulver, das die Kathode bildet, dann kommt eine poröse Kunststofffolie mit Flüssigkeit (Separator und Elektrolyt), dann wieder eine Schicht aus Pulver, diesmal die Anode, und dann eine weitere Metallfolie (zweiter Stromsammler). Und dann wird alles luftdicht in eine Hülle verpackt, meistens ein Kunststoff- oder Metallgehäuse.

Wenn man jetzt eine flexible oder dehnbare Batterie entwickeln will, müssen alle diese Komponenten dehnbar gemacht werden. Metallfolien, Kunststofffolien und das Gehäuse in einer normalen Batterie sind natürlich nicht dehnbar. Also mussten wir für jede dieser Komponenten eine dehnbare Version entwickeln.

Die Batterie wird bei ihrem Einsatz zum Beispiel in einem biegsamen Smartphone doch sehr gedehnt. Wie kommt es, dass die Leitfähigkeit nicht darunter leidet?
Anstelle der Metallfolien haben wir einen gummiartigen Kunststoff genommen und darauf Silberflocken verteilt. Wenn man den Kunststoff nun dehnt, verschieben sich die Silberflocken gegeneinander wie übereinander gelagerte Schuppen und dadurch bleibt die Leitfähigkeit erhalten. Das garantiert die Leitfähigkeit des Stromsammlers, selbst wenn er stark gestreckt wird. Als Separator und Elektrolyt haben wir ein sogenanntes Hydrogel entwickelt, das ist eine gelartige Substanz, die wir mit einem wässrigen Elektrolyten getränkt haben. Das Hydrogel lässt sich sehr gut verstrecken.

Das Anoden- und Kathodenpulver haben wir direkt auf die Silberflocken deponiert. So bleiben die Pulver immer mit dem Silber in Kontakt, was wichtig für das Funktionieren der Batterie ist. Am Schluss haben wir die ganze Batterie einfach verleimt, das heißt, der gummiartige Kunststoff, auf dem die Silberflocken sind, bildet die Außenhülle der Batterie.

Welche Schritte sind nötig, um die Batterie kommerzialisierbar zu machen?
Das größte Problem an unserer Batterie ist, dass wir nur sehr wenig Anoden- und Kathodenmaterial in unserer Batterie haben. Die Menge an Anode und Kathode bestimmt aber, wie viel Energie eine Batterie speichern kann. Da müssen wir uns verbessern. Wir brauchen noch weitere Forschungsarbeit, um die flexible Batterie zu optimieren und um an eine Kommerzialisierung zu denken.

https://www.k-online.de

 

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