Batterie zum Dehnen

Biegsame Displays und dehnbare Kabel sind längst entwickelt, um sie in Kleidung zu integrieren oder womöglich unter die Haut zu setzen. Jetzt kommt auch die flexible Batterie hinzu, vermelden Forscher. Sie konstruierten einen Lithium-Ionen-Akku, der sich verbiegen, falten und vor allem um das Dreifache in Länge und Breite ziehen lässt. Ohne Belastung kehrt die elastische Folie dann wieder zur alten Form zurück. Ihr Geheimnis liegt vor allem in eingebetteten Zickzackdrähten, die sich zerstörungsfrei dehnen lassen, berichtet das Team im Fachblatt „Nature Communications“. Da der flache Akku auch drahtlos aufzuladen ist, könnte er einst sogar medizinische Implantate im Körper mit Strom versorgen.

Durchsichtige Folie, in die kupferfarbene, kreisrunde Blättchen eingebettet sind. Die Plättchen sind mit goldfarbenen Drähten verbunden. Die Zickzack-Anordnung der Drähte macht es möglich, die gesamte Struktur auseinanderzuziehen, ohne dass die Verbindungen aufbrechen.
Batteriefolie

„Eine dehnbare, wiederaufladbare Batterie, die ganz andere Eigenschaften bietet als alles, was vorher möglich war“, beschreiben die Forscher ihre neue Entwicklung Das internationale Team um John Rogers von der University of Illinois hatte Felder kleiner Elektrodenpunkte in flexibles Silikon eingebettet. Untereinander verbunden waren die Metallpunkte über mehrfach gefaltete Zickzackdrähte. Die Drähte waren in doppelter Weise geknickt: zunächst ganz fein im Zickzack und diese Unterstruktur noch einmal grob wie ein Zollstock. Wird das Silikon gedehnt, so entfaltet sich zunächst der Zollstockdoppelknick zwischen den Elektroden bis auf etwa sechsfache Länge. Noch weiter gezogen, entfalten sich auch die feinen Zickzackknicke, bis der Verbindungsdraht bei rund dreifacher Dehnung des Silikons relativ geradlinig vorliegt. Zieht sich das Silikon wieder zusammen, nehmen die eingebetteten Drähte ihre ursprüngliche Form wieder ein, ohne Schaden genommen zu haben. Auch dem Stromfluss schadet das Dehnen nicht, wie die Messungen zeigen.

Der Prototyp von den Maßen einer großen Briefmarke bestand aus mehreren nur 250 Mikrometer dicken Silikonelastomerschichten. Die Anoden- und Kathodenschicht bildeten zwei Felder von hundert Metallplättchen, die durch die Drähte parallel geschaltet waren. Als Elektrolyt in der Mitte sorgte ein Gel für anhaltenden Ionentransport. Auch bei maximaler Dehnung behielt die kleine Batterie noch eine Kapazitätsdichte von rund 1,1 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter, so die Forscher. Voll aufgeladen, versorgte die kleine Batterie eine Leuchtdiode für rund neun Stunden. Auch nach zwanzig Ladezyklen verzeichneten die Forscher nur einen geringen Leistungsverlust.

„Als zusätzlichen Vorteil haben wir dehnbare, drahtlose Ladesysteme integriert“, schreiben Rogers und Kollegen. Die möglichen Anwendungen reichen von robusten Energiequellen in Kleidung, auch kombiniert mit tragbarer Photovoltaik, für autarke Sensoren unter Belastung oder auch für implantierte medizinische Geräte wie Insulinpumpen oder gar Herzschrittmacher. Bis zum tatsächlichen Einsatz halten die Forscher noch weitere Verbesserungen für nötig – an den Materialien der Batterie ebenso wie an ihrer Lade-Effizienz.