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© ETH Zürich

Science
09/30/2019

"Unser Akku lässt sich biegen, dehnen und sogar verdrehen"

Forscher haben einen faltbaren Akku auf Wasserbasis entwickelt, wie Markus Niederberger von der ETH Zürich im Interview erzählt.

von Martin Stepanek

Der Traum von Bildschirmen, die sich wie Papier falten oder rollen lassen, beschäftigt die Elektronikbranche seit vielen Jahren. Damit könnten Handys Realität werden, die man zum Einstecken  auf Taschentuch-Größe zusammenfalten und bei Bedarf in ein Tablet mit großem Display umfunktionieren kann. Aber auch andere futuristische Anwendungen wie eine elektronische Zeitung oder Kleidungsstücke, in denen Sensoren verwebt sind, schweben der Industrie vor.

Biegbare Batterie

Erste Handys wie das Galaxy Fold, das sich in der Mitte des Bildschirms einmal falten lässt, kommen zwar gerade auf den Markt. Diese fallen bisher aber vor allem durch anfällige Technik und eingeschränkte Flexibilität auf. Mit ein Grund dafür ist, dass die verbauten Akkus nicht wirklich bieg- und dehnbar sind.

Genau das soll Forschern der ETH Zürich nach mehrjähriger Arbeit aber nun gelungen sein. „Wir haben eine Dünnfilm-Batterie entwickelt, die sich biegen, dehnen und sogar verdrehen lässt, ohne dass die Stromversorgung abbricht“, erklärt Markus Niederberger, Professor für Multifunktionsmaterialien an der ETH Zürich, im futurezone-Interview.

Das Besondere an der Entwicklung sei, dass jede Komponente der Batterie flexibel ist. Damit sei dieser Lithium-Ionen-Akku als Ganzes biegsam und dehnbar, was noch mehr Freiheiten bei der Gestaltung von neuartigen Elektronikgeräten erlaube. Vom Konzept her funktioniere das System auch mit anderen Batterietechnologien abseits Lithium-Ionen.

Sandwichartiger Aufbau

Die Batterie ist wie ein Sandwich in verschiedenen Schichten aufgebaut. Die Anode und Kathode, zwischen denen die Elektronen wandern, ist aus einem dehnbaren Kunststoff aufgebracht, der elektrisch leitenden Kohlenstoff enthält. Auf der Innenseite des Kunststoffs brachten die Forscher zusätzlich winzige Flocken aus Silber an.

Diese verschieben sich wie Schuppen, wenn man die Batterie auseinanderzieht, verlieren aber den Kontakt zueinander nicht. So bleibt die elektrische Leitfähigkeit gewährleistet, selbst wenn der Akku stark gestreckt wird.

Bisher galt genau das als Problem. Zwar seien schon bisher elastische Einzel-Komponenten entwickelt worden. Durch die unterschiedliche Beschaffenheit  könne die Verbindung zwischen den verbauten Komponenten aber leicht brüchig werden, wenn man den Akku biege oder dehne. Dieses Problem wollen die Forscher gelöst haben.

Gel auf Wasserbasis

Für die Elektrolytflüssigkeit, durch die sich die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen der Batterie bewegen müssen, ließ sich das Team um Niederberger ebenfalls etwas Neues einfallen – genauer gesagt ETH-Doktorand Xi Chen. Er entwickelte einen gelartigen Elektrolyt auf Wasserbasis, der in einem gummiartigen Kunststoff-Rahmen platziert ist.

„Die heute in Akkus verwendeten Elektrolyte bestehen normalerweise aus organischen Lösungsmitteln, die nicht nur leicht brennbar, sondern auch giftig sind. Bei unserem wasserbasierten Gel fallen diese Probleme weg“, erklärt Niederberger

Komplexe Angelegenheit

Warum es trotz enormem Forschungsaufwand in den vergangenen Jahren keinen Durchbruch einer völlig neuartigen Batterietechnologie gegeben hat, ist laut dem ETH-Forscher leicht erklärt. „Eine Batterie ist eine ziemlich komplexe Konstruktion. Forscher experimentieren folglich meist mit sehr dünnen Prototypen. Das in eine industrielle Serien-Produktion hinüberzuführen, die nicht nur die notwendige Kapazität garantiert, sondern auch noch von den Kosten vertretbar ist, ist extrem schwierig“, sagt Niederberger zur futurezone.

Dazu komme, dass Hersteller Angst hätten, etwas Neues zu produzieren, das sich in der Praxis dann nicht bewähre. Samsung kann davon seit dem Akku-Desaster um das Galaxy Note 7 im Jahr 2016 ein Lied singen.

Auch für die dehnbare Dünnfilmbatterie der ETH Zürich ist noch weitere Forschung notwendig. Im nächsten Schritt muss die dünne Elektrodenschicht vergrößert werden. Die Forscher sind aber optimistisch, dass das in den kommenden Monaten und Jahren gelingt.