Wearables | Wenn Elektronik am Körper getragen wird, kann ihr eine Menge passieren. Damit Schäden nicht zu Problemen führen, könnte die Stromversorgung von einem besonderen Akku übernommen werden, der mit kleineren oder größeren Schäden selbst zurechtkommt und diese „verheilen“ lässt.
Elektronik, die in Kleidung eingearbeitet werden kann, liegt im Trend. Allerdings hakt es noch etwas bei der Stromversorgung. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellten Wissenschaftler dünne flexible Lithiumionen-Akkus mit Selbstheilungseigenschaften vor, die sicher am Körper getragen werden könnten. Sogar nach einem vollständigen Bruch sollen sie wieder zusammenwachsen, ohne bei ihren elektrochemischen Eigenschaften wesentliche Einbußen zu erleiden.
Bisherige flexible Lithiumionen-Akkus für anziehbare Elektronik lassen sich zwar auch ohne Weiteres biegen und rollen. Sie können aber brechen, wenn sie einer starken Verwindung ausgesetzt sind oder versehentlich einen Schnitt abbekommen – was beim Tragen am Körper vorkommen kann. Dabei versagen die Akkus nicht nur, sondern es können auch ernsthafte Sicherheitsprobleme auftreten, wenn brennbare, giftige oder ätzende Gase oder Flüssigkeiten austreten.
Das in Asien arbeitende Team um Yonggang Wang und Huisheng Peng hat nun eine neue Familie Lithiumionen-Akkus entwickelt, die derartige Zwischenfälle dank ihrer „Selbstheilungskräfte“ meistern. Dafür müssen alle Bestandteile des Akkus selbstheilend aufgebaut sein. Die Wissenschaftler von der Fudan University (Shanghai, China), dem Samsung Advanced Institute of Technology (Südkorea) sowie dem Samsung R&D Institute China konnten dies jetzt realisieren.
Elektroden auf Polymer, umgeben von stabilem Gel
Die Elektroden der Akkus bestehen aus Lagen parallel ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhrchen, zwischen die die benötigten Lithiumverbindungen in Form von Nanopartikeln (LiMn2O4 für die eine, LiTi2(PO4)3 für die andere Elektrode) eingebettet wurden. Anders als bei herkömmlichen Lithiumionen-Akkus können die Lithiumverbindungen hier nicht aus den Elektroden austreten, weder im Betrieb noch bei einem Bruch. Die dünnen Schicht-Elektroden sind jeweils auf einem Substrat aus einem selbstheilenden Polymer fixiert. Zwischen den Elektroden befindet sich ein neuartiger lösemittelfreier Elektrolyt aus einem Cellulose-basierten Gel, in das eine wässrige Lithiumsulfat-Lösung eingebettet ist. Dieser Gelelektrolyt dient gleichzeitig als Trennschicht zwischen den Elektroden.
Nach einem Bruch reicht es, die Bruchstellen einige Sekunden lang zusammenzudrücken, damit diese wieder „zusammenwachsen“. Nicht nur das selbstheilende Polymer, auch die Kohlenstoffnanoröhrchen kleben dann wieder perfekt aneinander – dank ihrer parallelen Ausrichtung wesentlich besser als bei Schichten ungeordneter Kohlenstoffnanoröhrchen.
Auch der Elektrolyt ist kein Problem. Während sich herkömmliche Elektrolyte bei Luftkontakt sofort zersetzen, ist das neue Gel an Luft stabil. Frei von organischen Lösemitteln ist es weder brennbar noch toxisch, sondern sicher in der Anwendung, heißt es.
Das haben die Forscher getestet: Die Kapazität und die Ladungs-/Entladungseigenschaften eines an einer Puppe befestigten Akku-„Armbands“ blieben auch nach wiederholten Bruch/Selbstheilungszyklen weitestgehend erhalten. (op)■
Zum Originalbeitrag: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201607951
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