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ETH Zürich: Dehnbare Dünnfilm-Batterie

Ein Team der ETH Zürich hat den Prototypen einer flexiblen Dünnfilm-Batterie entwickelt. Er ist wie gemacht für Wearables, denn er lässt sich dehnen, biegen und verdrehen, ohne dass die Stromversorgung unterbrochen wird.

Prototyp der Batterie Bildquelle: © ETH Zürich

Kernstück des Prototypen der Dünnfilm-Batterie den Markus Niederberger, Professor für Multifunktionsmaterialien an der ETH Zürich, und sein Team entwickelt haben, ist der Elektrolyt, also der Teil einer Batterie, durch den sich die Lithium-Ionen beim Entladen oder Laden der Batterie bewegen müssen. Er wurde von ETH-Doktorand Xi Chen, Erstautor einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» erschienen ist, entwickelt.

Die Batterie ist Sandwich-artig aufgebaut, die Forscher verwendeten aber 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», sagt Niederberger. Die beiden Stromsammler für die Anode und die Kathode bestehen aus einem dehnbaren Kunststoff, der elektrisch leitenden Kohlenstoff enthält. Dieser ist zugleich Außenhülle. Auf die Innenseite des Kunststoffs trugen die Forschenden eine dünne Schicht aus winzigen Silberflocken auf. Durch die dachziegelartige Anordnung der Silberflocken verlieren sie den Kontakt zueinander auch dann nicht, wenn der Kunststoff stark gedehnt wird. Das garantiert die Leitfähigkeit des Stromsammlers selbst wenn er stark gestreckt wird. Verlieren die Silberflocken den Kontakt zueinander dennoch, fließt der elektrische Strom – wenn auch schwächer – durch den kohlenstoffhaltigen Kunststoff.

Mithilfe einer Maske sprühten dann die Forschenden Anoden- respektive Kathoden-Pulver in einem genau begrenzten Bereich auf die Silberschicht. Das Kathodenpulver enthält Lithiummanganoxid, die Anode Vanadiumoxid. Separiert durch eine Trennschicht, die einem Bilderrahmen gleicht, legten die Wissenschaftler schließlich die beiden Stromsammler mit den aufgebrachten Elektroden aufeinander und füllten die Lücke im Rahmen mit Elektrolytgel, der relativ umweltfreundlich ist. Er wurde von Doktorand Xi Chen entwickelt und basiert im Gegensatz zu herkömmlichen Gels auf Wasser. Im Gel in hoher Konzentration eingebracht ist ein Lithiumsalz, das die Wanderung der Lithiumionen zwischen Kathode und Anode während des Ladens und Entladens ermöglicht und die elektrochemische Zersetzung des Wassers verhindert.

Für ihren Prototyp fügten die Wissenschaftler die verschiedenen Bestandteile mit Klebstoff zusammen. »Wenn wir die Batterie kommerzialisieren wollen, müssen wir ein anderes Verfahren finden, damit sie langfristig dicht bleibt«, sagt Niederberger. Wichtig sei, dass für den Fall, dass die Batterie auslaufe, die austretende Flüssigkeit keine Schäden verursachten, weswegen ihr Elektrolyt Vorteile biete. Vor einem erfolgreichen kommerziellen Einsatz müssen die Forscher allerdings auch noch die Beladung ihres Prototypen mit Elektrodenmaterial verbessern.