Dehnbare Batterien

Aus mobilen elektrischen Geräten sind sie nicht mehr wegzudenken: Lithium-Ionen-Batterien. Sie versorgen beispielsweise Laptops, Smartphones und Elektroautos zuverlässig mit Strom. Doch für flexible Einsatzzwecke – etwa für Kleidung mit integrierten Sensoren – sind feste, starre Batterien kaum geeignet. Nun erwies sich eine neue Lithium-Ionen-Batterie als besonders flexibel. Das Team, das sie entwickelt hat, stellt die Batterie mit einem dehnbaren Elektrolyt in der Fachzeitschrift „ACS Energy Letters“ vor.

In den meisten Lithium-Ionen-Batterien befinden sich flüssige Elektrolyte zwischen den Elektroden. Das macht sie für flexible Anwendungen ungeeignet, denn über mögliche Lecks können die Flüssigkeiten auslaufen. Zwar gibt es bereits Ansätze für flexiblere Batterien – etwa mit gefalteten Elektroden –, doch der Durchbruch blieb bislang aus.

Gummiartiger Elektrolyt macht die Batterie flexibel

Shi Wang von der Universität für Post und Telekommunikation im chinesischen Nanjing verfolgte daher einen anderen Ansatz: Gemeinsam mit seiner Arbeitsgruppe entwickelte er einen festen und zugleich dehnbaren Elektrolyt. Dazu mischte das Team ein Lithiumsalz in den Kunststoff Ethylenglykol-Methylether-Acrylat, kurz EGMEA. Unter ultraviolettem Licht verknüpften sich die Moleküle zu einem gummiartigen Kunststoff, in dem die Lithiumverbindung eingelagert war. Wie sich in Tests zeigte, ließ sich dieser Elektrolyt sogar auf die 50-fache Länge dehnen, ohne zu reißen – und zeigte zudem gute elektrische Eigenschaften.

Prototyp der dehnbaren Batterie

Anschließend fertigte das Team um Wang ganze Batterien mit dem neuartigen Elektrolyt. Neben diesem waren dafür auch flexible Elektroden nötig. Deshalb brachten die Forschenden die Elektroden auf dem dehnbaren Kunststoff Polydimethylsiloxan, kurz PDMS, auf. Zudem hatten sie der Kunststoffmasse neben Lithiumverbindungen auch filigrane Nanofäden aus Silber zugesetzt, bevor die Moleküle sich zum festen Kunststoff verknüpften. Damit wurde das gummiartige Innere der Batterie elektrisch leitfähig.

Diese komplett mit flexiblen Materialien angefertigte Batterie ließ sich in anschließenden Experimenten insgesamt auf die doppelte Länge dehnen und blieb dabei voll funktionsfähig. Im Vergleich zur Dehnbarkeit des reinen Elektrolyten war die Batterie damit zwar unflexibler, da die Elektroden sich weniger dehnen lassen. Doch in Sachen Stromspeicherung konnte sie mit anderen Batterien mithalten und fast so viel Strom speichern wie feste Batterien aus ähnlichen Elektrodenmaterialien. Lediglich die Kapazität sackte nach knapp 70 Ladezyklen deutlich ab.