Laser macht Leder zum tragbaren Energiespeicher

Das Material für Wearables muss besonderen Anforderungen gerecht werden. Nicht nur müssen die Teile flexibel sein, damit sie am Körper nicht stören, sondern sie dürfen auch die Haut nicht reizen.

Chinesische Forscher haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Leder so bearbeiten, dass es als tragbare Elektronik fungieren kann. Details dazu erschienen kürzlich in der Fachzeitschrift Optics Letters.

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Mikro-Superkondensatoren auf Leder

„Mithilfe eines Lasers schreiben wir leitfähige Muster direkt auf pflanzlich gegerbtes Leder, um Mikro-Superkondensatoren herzustellen, die Energie speichern und elektrische Signale glätten können, sodass tragbare Elektronik zuverlässiger funktioniert“, erklärt Dong-Dong Han in einer Aussendung. Er hat das Forschungsteam an der Jilin University in China geleitet.

In ihrer Studie demonstrieren die Forscherinnen und Forscher, dass sie Mikro-Superkondensatoren in verschiedenen, filigranen Mustern erstellen können. So laserten sie unter anderem die Illustrationen von Hasen, Drachen und einem Tiger in das Leder.

Kondensatoren dienen als Energiespeicher, im Gegensatz zu einem Akku können sie extrem schnell aufgeladen und wieder entladen werden. Allerdings können sie weniger Ladung speichern und sie entladen sich mit der Zeit von selbst. Daher werden sie hauptsächlich zusätzlich zu Akkus dafür eingesetzt, die Spannung zu glätten, d. h. konstant zu halten.

Einstufiges Herstellungsverfahren

„Im Gegensatz zu konventionellen Geräten, die auf synthetischen und chemikalienintensiven Prozessen basieren, nutzt unser Zugang ein natürliches, hautfreundliches Material und ein einstufiges Herstellungsverfahren“, betont Han.

Beim sogenannten „Direct Laser Writing“ (DLW) werden die „beschriebenen“ Stellen auf dem Leder karbonisiert. Diese werden dadurch leitend und porös. Indem man die Laserparameter anpasst, könne man die Eigenschaften dieser Kohlenstoffschicht ohne komplexe Fertigungsschritte und ohne Reinräume steuern, erklärt das Forschungsteam. 

Die leitenden Muster auf dem Leder fungieren als Elektroden, an denen sich während des Ladevorgangs positive und negative Ionen ansammeln und bei Bedarf schnell wieder freigesetzt werden. So kann das gelaserte Leder Energie speichern und elektronische Signale glätten, um einen stabilen Betrieb der Elektronik zu gewährleisten.

Funktioniert im Labor stabil

Han sieht vor allem die Nachhaltigkeit dieses Zugangs als Alleinstellungsmerkmal. Andere Ansätze würden zwar bei bestimmten Aspekten eine höhere Leistung liefern. Jedoch sind sie oft komplexer in der Fertigung oder gehen mit höheren Umweltbelastungen einher, so der Forscher.

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In Experimenten konnten er und sein Team zeigen, dass die gelaserten Muster im Leder über viele Ladezyklen hinweg stabil blieben. Außerdem funktionieren die Mikro-Superkondensatoren gut mit der standardmäßigen 60-Hertz-Frequenz, die bei alltäglichen Geräten Standard ist.

Weit weg von der Marktreife

Um mögliche praktische Anwendungen zu zeigen, betrieben die Forscherinnen und Forscher testweise einzelne LEDs und eine elektrische Uhr mit dem gelaserten Leder. Von der Marktreife ist die Technologie aber noch weit entfernt.

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Han und sein Team arbeiten nun daran, die Mikro-Superkondensatoren weiter zu optimieren, um u. a. Leistung und Lebensdauer zu verbessern. Insbesondere versuchen sie, die Lasereinstellungen so zu verändern, dass das Material über lange Zeiträume Schweiß, Feuchtigkeit und wiederholtem Biegen widerstehen kann.