Sicherere, günstigere und flexiblere Batterie für tragbare Technologie erfunden

Forscher haben eine sicherere, günstigere, leistungsfähigere und flexiblere Batterieoption für tragbare Geräte entwickelt. Ein Artikel, der das „Rezept“ für ihren neuen Batterietyp beschreibt, wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Nano Forschung Energie am 3. Juni.

Fitnesstracker. Smartwatches. Virtual-Reality-Headsets. Sogar intelligente Kleidung und Implantate. Tragbare Smart-Geräte sind heutzutage allgegenwärtig. Doch um mehr Komfort, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu bieten, müssen diese Geräte flexibler und ihre Energiespeichermechanismen, die oft frustrierend sperrig, schwer und zerbrechlich sind, miniaturisiert werden. Darüber hinaus dürfen Verbesserungen nicht auf Kosten der Sicherheit gehen.

Aus diesem Grund konzentrierte sich die Batterieforschung in den letzten Jahren stark auf die Entwicklung von „Mikro“-Flexiblen Energiespeichern, kurz MFESDs. Dabei wurden eine Reihe unterschiedlicher Strukturen und elektrochemischer Grundlagen untersucht, und wässrige Mikrobatterien bieten viele eindeutige Vorteile.

Wässrige Batterien – Batterien, die eine wasserbasierte Lösung als Elektrolyt verwenden (das Medium, das den Ionentransport in der Batterie ermöglicht und so einen Stromkreis erzeugt) – sind nichts Neues. Es gibt sie bereits seit dem späten 19. Jahrhundert.

Allerdings ist ihre Energiedichte – also die Energiemenge, die pro Volumeneinheit in der Batterie enthalten ist – für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu gering, da sie zu viel Platz beanspruchen würden. Lithium-Ionen-Batterien sind für derartige Anwendungen weitaus besser geeignet.

Gleichzeitig sind wässrige Batterien viel weniger entflammbar und damit sicherer als Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind auch viel billiger. Aufgrund dieser robusteren Sicherheit und der niedrigen Kosten werden wässrige Optionen zunehmend als eine der besseren Optionen für MFESDs untersucht. Diese werden als wässrige Mikrobatterien oder einfach AMBs bezeichnet.

„Bisher haben AMBs leider ihr Potenzial nicht voll ausgeschöpft“, sagte Ke Niu, Materialwissenschaftler am Guangxi Key Laboratory of Optical and Electronic Materials and Devices der Guilin University of Technology und einer der leitenden Forscher des Teams. „Um in tragbaren Geräten eingesetzt werden zu können, müssen sie einem gewissen Grad an realer Biegung und Verdrehung standhalten. Aber die meisten der bisher erforschten Materialien versagen angesichts solcher Belastungen.“

Um dieses Problem zu lösen, müssten alle Brüche oder Schwachstellen in einer AMB nach einer solchen Belastung selbstheilend sein. Leider waren die bisher entwickelten selbstheilenden AMBs eher auf metallische Verbindungen als Ladungsträger im Stromkreis der Batterie angewiesen.

Dies hat den unerwünschten Nebeneffekt einer starken Reaktion zwischen den Metallionen und den Materialien, aus denen die Elektroden (die positiven und negativen elektrischen Leiter der Batterie) bestehen. Dies wiederum reduziert die Reaktionsrate der Batterie (die Geschwindigkeit, mit der die elektrochemischen Reaktionen im Inneren jeder Batterie stattfinden) und begrenzt die Leistung drastisch.

„Also begannen wir, die Möglichkeit nichtmetallischer Ladungsträger zu untersuchen, da diese nicht unter den gleichen Schwierigkeiten durch die Wechselwirkung mit den Elektroden leiden würden“, fügte Junjie Shi hinzu, ein weiteres führendes Mitglied des Teams und Forscher an der School of Physics und dem Center for Nanoscale Characterization & Devices (CNCD) der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan.

Das Forschungsteam fand heraus, dass Ammoniumionen, die aus reichlich vorhandenen Ammoniumsalzen gewonnen werden, die optimalen Ladungsträger sind. Sie sind weit weniger korrosiv als andere Optionen und verfügen über ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster.

„Aber Ammoniumionen sind nicht die einzige Zutat im Rezept, die wir brauchen, um unsere Batterien selbstheilend zu machen“, sagte Long Zhang, das dritte leitende Mitglied des Forschungsteams, ebenfalls am CNCD.

Dafür hat das Team die Ammoniumsalze in ein Hydrogel eingearbeitet – ein Polymermaterial, das große Mengen Wasser aufnehmen und speichern kann, ohne seine Struktur zu zerstören. Dadurch sind Hydrogele sehr flexibel und haben genau die Art von selbstheilenden Eigenschaften, die sie brauchen. Gelatine ist wahrscheinlich das bekannteste Hydrogel, obwohl sich die Forscher in diesem Fall für ein Polyvinylalkohol-Hydrogel (PVA) entschieden haben, da es sehr stabil und kostengünstig ist.

Um die Kompatibilität mit dem Ammoniumelektrolyten zu optimieren, wurde Titancarbid – ein „2D“-Nanomaterial mit nur einer einzigen Atomschicht – aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit als Anodenmaterial (negative Elektrode) gewählt. Mangandioxid, das bereits häufig in Trockenbatterien verwendet wird, wurde für die Kathode (positive Elektrode) in eine Kohlenstoffnanoröhrenmatrix eingewebt (ebenfalls zur Verbesserung der Leitfähigkeit).

Tests des Prototyps der selbstheilenden Batterie zeigten, dass er selbst nach zehn Selbstheilungszyklen eine hervorragende Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenlebensdauer, Flexibilität und Selbstheilung aufwies.

Ziel des Teams ist es nun, den Prototypen weiterzuentwickeln und zu optimieren, um ihn auf die kommerzielle Produktion vorzubereiten.