Gedruckte Elektronik Bismutoxid macht flexible Batterien wiederaufladbar

Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Nanoingenieure der UC San Diego haben die erste gedruckte Batterie entwickelt, die flexibel, dehnbar und wiederaufladbar ist. Die Zinkbatterien könnten verwendet werden, um tragbaren Sensoren oder Wearables zu versorgen.

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Die dehnbaren Batterien wurden auf Stoff für diese Demonstration gedruckt. Sie bilden das Wort NANO auf dem T-Shirt und versorgen eine grüne LED, die in diesem Bild beleuchtet wird.
Die dehnbaren Batterien wurden auf Stoff für diese Demonstration gedruckt. Sie bilden das Wort NANO auf dem T-Shirt und versorgen eine grüne LED, die in diesem Bild beleuchtet wird.
(Bild: UC San Diego)

Die Forscher machten die gedruckten Batterien flexibel und dehnbar, indem sie ein hyperelastisches Polymer aus Isopren, einem der Hauptbestandteile in Kautschuk und Polystyrol, in einer harzartigen Komponente einbetteten. Das Material, auch bekannt als SIS, ermöglicht es die Batterien zur doppelten Größe zu dehnen, ohne sie dabei zu beschädigen.

Die verwendete Tinte besteht aus Zink-Silberoxid, das mit SIS gemischt ist. Zinkbatterien sind seit langem in Einsatz, jedoch nicht wiederaufladbar. Der Schlüssel, um die Batterien wiederaufladbar zu machen, ist ein Molekül namens Bismutoxid. Wird es in die Zinkelektroden der Batterien gemischt, macht es die Batterien wiederaufladbar und verlängert zudem deren Lebensdauer.

Bis vor kurzem gab es keine genau wissenschaftliche Erklärung für warum dies so ist. Im vergangenen Jahr veröffentlichten die Nanoingenieure der UC San Diego unter der Leitung von Professor Y. Shirley Meng eine detaillierte Studie, die sich mit dieser Frage befasst.

Die Arbeit zeigt, dass eine kleine Menge an Additiven ausreicht, um die Eigenschaften von Materialien zu verändern: Wenn Zinkbatterien sich entladen, reagieren ihre Elektroden mit dem flüssigen Elektrolyten innerhalb der Batterie und erzeugen Zinksalze, welche in Lösung gehen. Diese könnte einen Kurzschluss der Batterie erzeugen. Durch die Zugabe von Bismutoxid wird das Lösen von Zink verhindert wodurch die Batterien weiter arbeiten und wieder aufgeladen werden können.

„Das Verständnis dieses wissenschaftlichen Mechanismus, wird es uns ermöglichen, nicht wiederaufladbare Batterien in wiederaufladbare Batterien zu verwandeln. Das gelingt nicht nur bei Zinkbatterien, sondern auch bei anderen Elektrochemie-Systeme, wie Lithium-Sauerstoff“, sagte Meng.

Der entwickelte Prototyp besitzt etwa 1/5 der Kapazität einer wieder aufladbaren Hörgeräte-Batterie, ist jedoch nur 1/10 so dick und zudem günstiger. Zur Herstellung der Batterien verwenden die Forscher ein Standard-Siebdruck-Verfahren und diese können direkt auf Stoffe oder andere Substrate gedruckt werden. Die Materialien für eine Batterie kosten $ 0,50. Ein vergleichbarer handelsüblicher Akku soll $ 5,00 kosten.

„Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung dehnbarer Elektronik mit eigener Stromquelle“, sagte Joseph Wang, Nanoengineering-Professor an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego, wo er das Zentrum für Wearable Sensors leitet.

„Wir erwarten, dass diese Technologie den Weg ebnet, um andere Formen der Energiespeicherung und bedruckbaren, dehnbaren Elektronik zu verbessern, nicht nur für Zinkbatterien, sondern auch für Lithium-Ionen-Batterien sowie Superkondensatoren und Photovoltaik-Zellen.“

Die Forscher arbeiten weiter daran, die Leistung der Batterie zu verbessern sowie den Anwendungsbereich zu erweitern - denkbar sind Solar- und Brennstoffzellen sowie die Versorgung verschiedener elektronischer Geräte. Auch die Kommerzialisierung der Ergebnisse steht nun im Fokus der Forscher.

Originalveröffentlichung:

R. Kumar et al: All-Printed, Stretchable Zn-Ag₂O Rechargeable Battery via Hyperelastic Binder for Self-Powering Wearable Electronics, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602096

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