Lithium-Ionen-Batterie flexibel wie ein Gummiband

Nanjing (China) - In Laptops, Smartphone und Elektroautos speichern Lithium-Ionen-Batterien zuverlässig große Strommengen. Doch die starren Stromspeicher sind für den Einsatz in funktioneller, beispielsweise mit Sensoren gespickter Kleidung, die Körperfunktionen von Sportlern oder gar Soldaten überwachen, kaum geeignet. Einige Prototypen erreichen immerhin etwas Flexibilität durch einen gefalteten Aufbau der Elektroden. Noch dehnbarer zeigt sich nun eine flexible Lithium-Ionen-Batterie, die chinesische Forschende nun entwickelt haben. Ihr Rezept mit einem besonders dehnbaren, festen Elektrolyten stellen sie in der Fachzeitschrift „ACS Energy Letters“ vor.

In den meisten Lithium-Ionen-Batterien befinden sich heute noch flüssige Elektrolyte zwischen den Elektroden. Doch in den ersten Prototypen flexibler Stromspeicher ist ihr Einsatz problematisch, da sich über mögliche Lecks ausfließen können. Shi Wang von der Nanjing University of Posts and Telecommunications entwickelte daher zusammen mit seiner Arbeitsgruppe einen festen und zugleich stark dehnbaren Elektrolyten. Dazu mischten sie ein Lithiumsalz in den Kunststoff Ethylenglykolmethyletheracrylat, kurz EGMEA. Unter ultraviolettem Licht verknüpften sich die Kunststoffmoleküle zu einem flexiblen, gummiartigen Polymer mit einem eingelagerten Lithiumsalz.

Dieser Elektrolyt-Gummi ließ sich sogar auf die 50-fache Länge dehnen ohne zu reißen. Eingesetzt in Batterien mit festen Elektroden belegte er auch mit einer hohen Beweglichkeit für Lithiumionen sehr gute elektrische Eigenschaften. Doch für eine komplett flexible Batterie müssen auch die Elektroden dehnbar sein. Dieses Ziel erreichten Shi Wang und sein Team mit dem Kunststoff Polydimethylsiloxan, kurz PDMS. Vor der Polymerisation, also der Vernetzung der Moleküle zu einem dehnbaren Silikongummi, fügten sie der Kunststoffmasse filigrane Silbernanofäden zu. Damit wurde der Gummi elektrisch leitfähig. Zusätzlich ergänzten sie Lithiumeisenphosphat für die Kathode sowie Lithiumtitanoxid und Graphit für die Anode.

Aus diesen drei Komponeten – Elektrolyt, Kathode, Anode – fertigten die Forschenden nun eine im Ganzen dehnbare Lithium-Ionen-Batterie. Die Flexibilität wurde von der Dehnbarkeit der Elektroden begrenzt. Doch konnte der Stromspeicher immerhin mehrfach auf die doppelte Länge gestreckt werden. Diese Gummi-Batterie konnte fast so viel Strom speichern, wie feste Batterien aus ähnlichen Elektrodenmaterialien. Allerdings sackte die Kapazität nach knapp 70 Ladezyklen deutlich ab. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Stabilität noch deutlich erhöhen. Sollte dies gelingen, könnten solche dehnbaren Festkörper-Stromspeicher elektronische Komponenten in Kleidung oder Implantaten zuverlässig mit Strom versorgen.