Geflochtener Stromabnehmer für Wearable Electronics

Lithiumionen-Faserakkus mit hoher Energiedichte durch Flechtkern

05.05.2023 - China

Ein ultradünnes Drahtgeflecht im Elektrodenkern steigert die Energiedichte von Lithiumionen-Faserbatterien, berichtet ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie. Faserbatterien können als Fäden in Funktionstextilien eingearbeitet werden und Smartphones und andere elektronische Geräte direkt am Körper mit Strom versorgen. Die neue, geflochtene Stromabnehmerstruktur ersetzt einen durchgehenden Draht und ermöglicht einen verbesserten Ionentransport in der Elektrode und somit eine höhere Ladungsdichte.

Lithium-Ionen-Akkus (LIBs) sind von Smartphones bis Elektroautos allgegenwärtig. Sie bestehen in der Regel aus gestapelten oder gerollten Elektroden. Eine interessante Variante für Textilien reduziert den Batteriestapel auf die Dimension eines Fadens aus zwei langen, um einander herumgeschlungenen Elektrodenfasern. Zu Stoff verwoben, können diese sehr leichten fadenförmigen Akkus (FLIBs) Wearable Electronics wie Sensoren oder Anzeigen mit Strom versorgen. Erst im Herbst 2022 erhob die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Faserakkus zu einer der zehn wichtigsten chemischen Zukunftstechnologien.

Bevor jedoch Zeltplanen und Funktionskleidung ihre stoffeigene Stromversorgung bekommen, muss das Problem einer noch zu geringen Energiedichte vor allem bei langen Fasern gelöst werden. Ein neues Design des Stromabnehmers der Elektrode könnte dabei helfen, hat nun ein Forschungsteam um Huisheng Peng von der Fudan-Universität in Shanghai (China) entdeckt.

Das Team ersetzte den durchgehenden dünnen Stromabnehmerdraht in der Graphitelektrode durch ein Geflecht aus mehreren, viel dünneren Metallfäden. Um das Flechtwerk herzustellen, wickelten sie mehrere ultradünne Metallfäden von Spindeln ab und verflochten sie zu einem zentralen Faden, der für die vollständige Elektrode mit Graphit beschichtet wurde.

Der neue geflochtene Stromabnehmer besaß die gleiche Stabilität wie der durchgehende, ermöglichte aber eine höhere Energiedichte augrund der Durchwirkung mit Graphit. „Dieses Flechtdesign führt zu Kanälen, die mit aktivem Material gefüllt sind“, begründeten die Wissenschaftler*innen die Verbesserung. „Der Transport der Lithiumionen ist weniger blockiert, und die Ladungskapazität der aktiven Materialien erhöht sich. “ Das zeigte sich auch im Test: Ein Tuchgewebe aus 40 ein Meter langen FLIBs mit geflochtenem Stromabnehmer lud ein Smartphone von 30 auf 57 Prozent auf, während das konventionelle FLIB-Textildesign mit einem durchgehenden Stromabnehmerdraht nur auf 52 Prozent kam.

Diese Effizienzsteigerung war durch einen einfachen Wechsel im Design des Stromabnehmers möglich. Das zahlt sich insbesondere für lange Batteriefäden aus, die sowohl robust und stabil als auch gleichzeitig leicht sein müssen.