Batterien und Akkus haben üblicherweise ein stabiles Gehäuse, dass die im Inneren reagierenden Substanzen von den Einflüssen der Außenwelt abschirmt. Doch neuartige technische Anwendungen benötigen flexiblere Energiespeicher – sei es für aufrollbare Displays oder für tragbare Geräte, die direkt auf die Haut geklebt werden und verschiedene Gesundheitsparameter überwachen. Bisherige Ansätze für flexible Batterien setzen üblicherweise darauf, starre Komponenten origamiartig zu falten. „Dieser Ansatz ist zwar weit verbreitet, doch es hat sich gezeigt, dass die Produktion in größerem Maßstab kompliziert und teuer ist“, schreibt ein Team um Shi Wang von der Nanjing Universität für Post und Telekommunikation in China.
Elektrolyt aus Polymer-Material
Wang und seine Kollegen haben daher eine andere Strategie gewählt: Sie haben einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, bei dem alle verwendeten Komponenten gedehnt werden können. „Für Lithium-Ionen-Akkus, die von sich aus dehnbar sind, ist es besonders wichtig, einen hochgradig dehnbaren Elektrolyten mit ausgezeichneten elektrochemischen Eigenschaften zu finden“, erklären sie. „Wir haben als Elektrolyt ein Polymer-Material mit hoher Ionenleitfähigkeit entwickelt.“
Dazu mischten die Forschenden Lithium-Salz und eine sehr leitfähige ionische Flüssigkeit mit einem dehnbaren Polymer aus miteinander vernetzten großen Molekülen. „Das resultierende Elektrolyt-Material zeigt einen schnellen Transport der Lithium-Ionen, ein breites elektrochemisches Fenster von 4,8 Volt und eine ausgezeichnete mechanische Flexibilität mit einer Dehnbarkeit von über 5000 Prozent“, berichten die Forschenden.
Grundstein für zukünftige Entwicklungen
Auch die weiteren Bestandteile des Akkus sind dehnbar. Für die Elektroden nutzen Wang und sein Team eine leitfähige Paste mit Silbernanodrähten und Kohlenstoff. Diese wird als dünner Film auf eine Platte aufgetragen und mit einem flexiblen Material beschichtet, das auch für Kontaktlinsen verwendet wird. Darauf folgt der Polymer-Elektrolyt und darüber die zweite Elektrodenschicht. Schließlich wird alles mit einer Schutzschicht versiegelt.
Mit einer Kapazität von etwa 150 Milliamperestunden (mAh) pro Gramm ist der Polymer-basierte Akku nach Angaben des Teams leistungsfähiger als andere Ansätze für flexible Batterien, die auf gefaltete Strukturen und flüssige Elektrolyten setzen. Zudem lässt er sich vergleichsweise schnell aufladen und behält seine Kapazität auch über viele Ladezyklen bei. „Unsere Arbeit bestätigt, dass solche Akkus eine beeindruckende Zyklus- und Ratenleistung aufweisen“, schreiben die Forschenden. „Das kann die Entwicklung dehnbarer Energiespeicher für tragbare oder implantierbare Elektronik weiter vorantreiben.“
