Vollständig dehnbare Lithium-Ionen-Batterie für flexible Elektronik

Neue Methode könnte ein vielversprechender Schritt nach vorn für tragbare oder implantierbare Geräte sein, die sich mit dem Körper biegen und bewegen

19.07.2024

Wenn Sie an eine Batterie denken, denken Sie wahrscheinlich nicht an dehnbar. Aber Batterien brauchen diese formverändernde Eigenschaft, um in flexible Elektronik integriert werden zu können, die für tragbare Gesundheitsmonitore immer mehr an Bedeutung gewinnt. Jetzt berichten Forscher in ACS Energy Letters über eine Lithium-Ionen-Batterie mit vollständig dehnbaren Komponenten, einschließlich einer Elektrolytschicht, die sich um 5000 % ausdehnen kann und ihre Ladungsspeicherkapazität nach fast 70 Lade-/Entladezyklen beibehält.

Elektronik, die sich biegen und strecken lässt, benötigt Batterien mit ähnlichen Eigenschaften. Die meisten Forscher, die versucht haben, solche Batterien zu bauen, haben sie mit gewebten leitfähigen Stoffen oder starren Komponenten hergestellt, die in dehnbare Formen gefaltet wurden, ähnlich wie beim Origami. Doch für eine wirklich biegsame Batterie müssen alle Teile - die Elektroden, die Ladungen sammeln, und die ladungsausgleichende mittlere Elektrolytschicht - elastisch sein. Bisher haben wirklich dehnbare Batterieprototypen eine mäßige Elastizität, komplexe Montageprozesse oder eine begrenzte Energiespeicherkapazität, insbesondere im Laufe der Zeit bei wiederholtem Laden und Entladen. Letzteres kann auf eine schwache Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und den Elektroden oder auf die Instabilität des flüssigen Elektrolyten zurückzuführen sein, der sich bei Formveränderungen der Batterie bewegen kann. Anstatt eine Flüssigkeit zu verwenden, wollten Wen-Yong Lai und seine Mitarbeiter den Elektrolyten in eine Polymerschicht einbauen, die zwischen zwei flexiblen Elektrodenfolien verschmolzen ist, um eine vollständig feste, dehnbare Batterie zu schaffen.

Um die Elektroden für die vollständig elastische Batterie herzustellen, trug das Team einen dünnen Film aus leitfähiger Paste mit Silbernanodrähten, Ruß und Lithium-basierten Kathoden- oder Anodenmaterialien auf eine Platte auf. Anschließend wurde eine Schicht aus Polydimethylsiloxan, einem flexiblen Material, das üblicherweise für Kontaktlinsen verwendet wird, auf die Paste aufgetragen. Direkt auf diese Schicht fügten die Forscher ein Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit und die Zutaten für ein dehnbares Polymer hinzu. Wenn diese Komponenten durch Licht aktiviert werden, bilden sie eine feste, gummiartige Schicht, die sich bis zu 5000 % ihrer ursprünglichen Länge dehnen kann und in der Lage ist, Lithium-Ionen zu transportieren. Schließlich wurde der Stapel mit einem weiteren Elektrodenfilm überzogen und das Ganze mit einer Schutzschicht versiegelt.

Im Vergleich zu einem ähnlichen Gerät mit einem herkömmlichen flüssigen Elektrolyten wies die neue Version eine etwa sechsmal höhere durchschnittliche Ladekapazität bei einer schnellen Aufladegeschwindigkeit auf. Ebenso behielt die Feststoffbatterie bei 67 Lade- und Entladezyklen eine stabilere Kapazität bei. Bei anderen Prototypen mit festen Elektroden hielt der Polymerelektrolyt den Betrieb über 1000 Zyklen aufrecht, wobei die Kapazität in den ersten 30 Zyklen um 1 % abnahm, während sie beim flüssigen Elektrolyten um 16 % sank. Es müssen noch Verbesserungen vorgenommen werden, aber diese neue Methode zur Herstellung vollständig dehnbarer, fester Batterien könnte ein vielversprechender Schritt nach vorn für tragbare oder implantierbare Geräte sein, die sich mit dem Körper biegen und bewegen.

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Originalveröffentlichung

Shi Wang, Shijun Xiao, Henan Cai, Wenqing Sun, Tong Wu, Yu Wang, Jixin He, Sheng Yang, Zhen-Dong Huang, Wen-Yong Lai; "Elastic Polymer Electrolytes Integrated with In Situ Polymerization-Transferred Electrodes toward Stretchable Batteries"; ACS Energy Letters, 2024-7-17

https://www.chemie.de/news/1184001/vollstaendig-dehnbare-lithium-ionen-batterie-fuer-flexible-elektronik.html