Wenn Sie an eine Batterie denken, ist Dehnbarkeit wahrscheinlich nicht das Erste, was Ihnen in den Sinn kommt. Diese Fähigkeit wird jedoch entscheidend für die Integration in flexible Elektronik sein, die in tragbaren Gesundheitsgeräten immer beliebter wird. Forscher von ACS Energy Letters haben eine Lithium-Ionen-Batterie mit vollständig dehnbaren Komponenten vorgestellt, einschließlich einer Elektrolytschicht, die sich um unglaubliche 5000% ausdehnen kann und dabei auch nach fast 70 Lade- und Entladezyklen die Energiekapazität beibehält.

Elektronik, die sich biegen und dehnen kann, benötigt Batterien mit ähnlichen Eigenschaften. Die meisten Wissenschaftler, die versucht haben, solche Batterien zu entwickeln, haben Stoffe mit leitfähigen Eigenschaften oder starre Komponenten verwendet, die in dehnbare Formen gebogen wurden, ähnlich wie Origami. Für eine wirklich dehnbare Batterie muss jedoch jeder Teil - von den Elektroden, die die Ladung sammeln, bis zur mittleren Elektrolytschicht, die die Ladung ausgleicht - elastisch sein. Frühere Prototypen von Batterien mit moderater Elastizität hatten komplexe Montageprozesse oder begrenzte Energiekapazitäten, insbesondere bei langfristiger Nutzung mit wiederholten Lade- und Entladezyklen. Dies kann auf eine schlechte Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und den Elektroden oder auf die Instabilität eines flüssigen Elektrolyten zurückzuführen sein, der sich bewegen kann, wenn die Batterie ihre Form ändert. Anstatt einen flüssigen Elektrolyten zu verwenden, entschieden sich Wen-Yong Lai und seine Kollegen, den Elektrolyten in eine Polymerschicht einzubetten, die zwischen zwei flexiblen Elektrodenfilmschichten platziert wurde, und schufen so eine vollständig feste, dehnbare Batterie.

Um Elektroden für die vollständig elastische Batterie herzustellen, verteilte das Team einen dünnen Film aus leitfähiger Paste, die Silbernanodrähte, Ruß und auf Lithium basierende Kathoden- oder Anodenmaterialien enthält, auf einer Platte. Sie trugen dann eine Schicht aus Polydimethylsiloxan, einem flexiblen Material, das häufig in Kontaktlinsen verwendet wird, auf die Paste auf. Direkt auf diesen Film fügten die Forscher Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit, und Zutaten hinzu, um ein dehnbares Polymer zu erzeugen. Diese Zutaten bildeten, durch Licht aktiviert, eine feste, gummiartige Schicht, die sich bis zu 5000% ihrer ursprünglichen Länge dehnen und Lithium-Ionen übertragen konnte. Schließlich wurde eine weitere Elektrodenschicht auf die Schicht aufgebracht, und das gesamte Gerät wurde mit einer Schutzschicht versiegelt.

Beim Vergleich des Designs der festen dehnbaren Batterie mit einem ähnlichen Gerät, das einen traditionellen flüssigen Elektrolyten verwendet, zeigte die neue Version etwa das sechsfache der durchschnittlichen Ladekapazität beim Schnellladen. Ebenso hielt die feste Batterie ihre Kapazität über 67 Lade- und Entladezyklen stabiler. In anderen Prototypen, die mit festen Elektroden hergestellt wurden, hielt der Polymerelektrolyt über 1000 Zyklen hinweg einen stabilen Betrieb aufrecht, mit einem Kapazitätsverlust von 1% in den ersten 30 Zyklen, verglichen mit einem Verlust von 16% für den flüssigen Elektrolyten. Obwohl noch Verbesserungen notwendig sind, könnte diese neue Methode zur Herstellung vollständig dehnbarer, fester Batterien ein vielversprechender Schritt nach vorne für tragbare oder implantierbare Geräte sein, die sich mit dem Körper biegen und bewegen.

Die Autoren anerkannten die finanzielle Unterstützung durch das nationale Schlüsselforschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas; die nationale Stiftung für Naturwissenschaften Chinas; die Stiftung für Naturwissenschaften der Provinz Jiangsu; die Stiftung des Schlüssel-Labors für flexible Elektronik der Provinz Zhejiang; das Programm für speziell ernannte Professoren in Jiangsu; das NUPT „1311 Projekt“ und die Wissenschaftsstiftung; die chinesische Postdoktoranden-Wissenschaftsstiftung; das Projekt des Staatsschlüssel-Labors für organische Elektronik und Informationsanzeigen, NJUPT; und die NJUPT-Naturwissenschaftsstiftung.

Quelle: American Chemical Society