Körperwärme als Stromquelle

In Kleidung integrierbare Thermozellen auf Gel-Elektrolyt-Basis nutzen Körperwärme

26.08.2016 - China

In Textilien integrierte Elektronik liegt im Trend: Systeme wie das Smartphone-Display im Ärmel oder Sonden für Körperfunktionen in der Sportbekleidung wurden bereits realisiert. Woran es am meisten hapert, ist eine bequeme, ebenfalls „anziehbare“ Stromversorgung. Chinesische Wissenschaftler wollen die benötigte Energie jetzt aus überschüssiger Körperwärme beziehen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen sie eine flexible, am Körper tragbare Thermozelle vor, die auf zwei verschiedenen gelartigen Elektrolyten basiert.

Durch Muskelarbeit und Stoffwechsel erzeugt unser Körper ständig Wärme. Ein Teil davon wird einfach über die Haut an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der relativ geringen Temperaturunterschiede zwischen den ungefähr 32 °C der Haut und der Umgebungstemperatur ist eine Nutzung der Körperwärme nicht so einfach zu realisieren. Bisherige thermoelektrische Generatoren, beispielsweise auf Halbleiterbasis, liefern zu wenig Energie, sind kostspielig oder zu zerbrechlich für Systeme, die am Körper getragen werden sollen. Und Thermozellen mit Elektrolytlösungen lassen sich nicht gut zu großflächigen „anziehbaren“ Systemen integrieren. Das Team um Jun Zhou von der Huazhong University of Science and Technology (Wuhan, China) hat eine Lösung für dieses Problem gefunden: Thermozellen mit Elektrolyten auf Gelbasis.

Die Forscher nutzen dabei einen thermogalvanischen Effekt: Werden zwei Elektroden, die sich im Kontakt mit einer Elektrolytlösung – oder einem Elektrolytgel – auf unterschiedlicher Temperatur gehalten, baut sich eine Potentialdifferenz auf. Die Ionen eines Redoxpaares im Elektrolyten können rasch zwischen zwei verschiedenen Ladungszuständen wechseln, indem sie an den Elektroden Elektronen aufnehmen bzw. abgeben. Um dies zur Gewinnung von Strom zu nutzen, kombinierten die Wissenschaftler zwei Typen von Zellen mit unterschiedlichen Redoxpaaren miteinander. Jede Zelle besteht aus zwei winzigen Metallplättchen als Elektroden, dazwischen befindet sich das Elektrolygel. Zelltyp 1 enthält das Redoxpaar Fe²⁺/Fe³⁺, Zelltyp 2 die Komplexionen [Fe(CN)₆]³⁻/[Fe(CN)₆]⁴⁻. Die Wahl der Redoxpaare bewirkt, dass bei einer Temperaturdifferenz auf der kalten Seite in Zelltyp 1 ein negatives Potential entsteht, in Typ 2 dagegen ein positives.

Die Forscher arrangierten eine Vielzahl der beiden Zelltypen zu einem Schachbrettmuster. Je zwei benachbarte Zellen wurden alternierend oben und unten von einem gemeinsamen Metallplättchen bedeckt und somit alle Zellen in Reihe geschaltet. Dieses „Schachbrett“ integrierten sie in einen Handschuh. Wird er angezogen, entsteht die erwünschte Temperaturdifferenz zwischen oberen und unteren Metallplättchen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Zellen, die sich aufsummiert. So ließe sich Strom zur Versorgung eines Geräts oder zur Aufladung eines Akkus gewinnen.

Bei einer Umgebungstemperatur von 5 °C konnten etwa 0,7 V Spannung sowie eine Leistung von etwa 0,3 µW erreicht werden. Eine Reihe von Optimierungen soll nun die Leistung auch bei geringeren Temperaturdifferenzen verbessern.