Materialforschung Langzeitstabile Polymere für Mikrobatterien und flexible Energy Harvester gesucht

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts MATFLEXEND sollen miniaturisierte Energiewandler und Speicher auf der Basis neuer Polymerwerkstoffe und kostengünstiger Herstellungsverfahren wie Drucktechnologien entwickelt werden. Koordiniert wird das Projekt vom Fraunhofer IZM.

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Lithium-Titanat-Fasern als Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien
Lithium-Titanat-Fasern als Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien
(Bild: Fraunhofer IZM)

Die Energiegewinnung aus der Umwelt für energieautarke Mikrosysteme ist ein hochaktuelles Thema. Die Arbeiten in MATFLEXEND sind dabei vor allem auf intelligente Textilien gerichtet, wozu medizinische Anwendungen, z.B. am Körper getragene flexible Sensoren gehören, aber auch massenmarktfähige Lifestyle-Apps für Sport und Freizeit. In Zukunft soll die flexible Energieversorgungsplattform auch für „Internet of Things“-Anwendungen nutzbar werden.

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Energy Harvester für am Körper tragbare Systeme

Die neuen Energiegewinnungssysteme werden für niederfrequent variierende und eher schwache Kräfte ausgelegt sein, die in derartigen Anwendungen auftreten. Insbesondere wird damit eine mechanische Impedanzanpassung an am Körper tragbare Systeme möglich. Weitere relevante Anwendungen sind mit Sensoren versehene Berufskleidung, multifunktionale Smartcards und technische Textilien, bei denen eine Verkabelung unerwünscht oder nicht praktikabel ist.

Kapazitives Energy-Harvester-Prinzip

Zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie wird ein kapazitives Energy-Harvester-Prinzip verwendet. Im Unterschied zu den durch MEMS-Technologie bisher entwickelten Parallelplatten-Anordnungen, bei denen sich die Kapazität durch Variation des Plattenabstands bzw. der Überlappung der Elektroden ändert, werden in MATFLEXEND mechanisch deformierbare Elektroden entwickelt. Dadurch kann ein Dielektrikum mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante verwendet und die Energiedichte gesteigert werden. Darüber hinaus wird als Energiespeicher eine angepasste Lithium-Ionenbatterie entwickelt. Hier liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung druckbarer Elektrolyte, um kostengünstig kleine und flexible Batterien herstellen zu können.

Fertigung wie in einem Druckprozess

Zu den anvisierten Vorteilen gehören u.a. ein verbesserter Wirkungsgrad der Energieumwandlung, bessere mechanische Flexibilität sowie die Möglichkeit, derartige Vorrichtungen in einem In-line-Prozess nach Art eines Druckprozesses herzustellen, wodurch sich neue tragbare Anwendungen ergeben.

Herausforderung Materialentwicklung

Die größten technischen Herausforderungen liegen im Bereich der Materialentwicklung und beinhalten innovative Dielektrika auf der Basis von Nanopartikeln, elektrisch leitfähige Elastomere mit sehr hoher Langzeitstabilität und Methoden zum Auftragen derartiger Materialien. Das Projekt wird ein neues Verfahren zur elektrophoretischen Abscheidung der Lithiumbatterie untersuchen, wobei ebenfalls neue, mit Nanofasern hergestellte Elektroden zum Einsatz kommen.

Das Projekt läuft noch bis 2016

Das von der EU im 7. Rahmenprogramm geförderte MATFLEXEND-Projekt startete im Oktober 2013 und läuft bis September 2016. Partner sind das Imperial College, London, die Technische Universität Wien, Varta Microbattery, LAAS-CNRS, Toulouse, CETEMMSA, Barcelona, SMARTEX, Italien, PARDAM, Prag, Anitra, München, und das Fraunhofer IZM, Berlin.

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