Flexibler Wirbel-Akku

Extrem flexibler Lithium-Akku mit sehr hoher Energiedichte

| Autor / Redakteur: Julia Schmidt / Rainer Graefen

Dank des neuen Designs ist der Lithium-Akku äußerst biegsam. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Energiedichte aus. Trotz des flexiblen Konzepts bleibt die Spannung stabil, auch bei sehr starker Krümmung.
Dank des neuen Designs ist der Lithium-Akku äußerst biegsam. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Energiedichte aus. Trotz des flexiblen Konzepts bleibt die Spannung stabil, auch bei sehr starker Krümmung. (Bild: Yuan Yang/Columbia Engineering)

Ingenieure der Universität Columbia haben einen Lithium-Akku entwickelt, dessen Struktur an den Aufbau der Wirbelsäule angelehnt ist. Dies ermöglicht eine bemerkenswerte Flexibilität, eine hohe Energiedichte und stabile Spannung, unabhängig davon, wie der Akku gebogen oder verdreht wird.

Die Entwicklung flexibler und tragbarer Elektronik ist rasant und entsprechende Produkte beliebt: von intelligenten Uhren, gekrümmten Displays für Smartphones, Tablets und TV - bis hin zu intelligenten Stoffen, Smart Glass, transdermalen Pflastern, Sensoren und vielem mehr. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach flexiblen Hochleistungsbatterien. Bislang hatten die Forscher jedoch Schwierigkeiten, in Lithium-Ionen-Akkus gleichzeitig gute Flexibilität und hohe Energiedichte zu erreichen.

Ein Team unter der Leitung von Yuan Yang, Assistant Professor of Materials Science and Engineering in der Abteilung für angewandte Physik und Mathematik an der Columbia Engineering, hat einen Prototyp entwickelt, der sich dieser Herausforderung stellt: ein Lithium-Ionen-Akku in Form der menschlichen Wirbelsäule, der bemerkenswerte Flexibilität, hohe Energiedichte und stabile Spannung bietet, unabhängig davon, wie er gebogen oder verdreht ist. Die Studie wurde im Fachmagazin Advanced Materials veröffentlicht.

„Die Energiedichte unseres Prototyps ist eine der höchsten bisher vermeldeten Energiedichten“, sagt Yang. „Wir haben einen einfachen und skalierbaren Ansatz entwickelt, um einen flexiblen, wirbelsäulenartigen Lithium-Ionen-Akku herzustellen, der hervorragende elektrochemische und mechanische Eigenschaften besitzt. Unser Design ist ein vielversprechender Kandidat für einen flexiblen, kommerziellen Lithium-Ionen-Akku der ersten Generation. Wir optimieren jetzt das Design und arbeiten daran die Leistung zu verbessern.“

Yang, dessen Team die Zusammensetzung und Struktur von Batteriematerialien erforscht, wurde von der Beweglichkeit der Wirbelsäule inspiriert, während er Sit-ups im Fitnessstudio machte. Die menschliche Wirbelsäule ist hochflexibel und mechanisch robust, da in ihr weiche Komponenten die harten Wirbelteile miteinander verbinden. Yang verwendete das Wirbelsäulenmodell, um einen Akku mit ähnlicher Struktur zu entwerfen. Sein Prototyp besteht aus einem dicken, starren Segment, das Energie speichert, wobei die Elektroden („Wirbel“) um einen dünnen, flexiblen Teil („Mark“) gewickelt sind, der die wirbelartigen Elektroden-Stapel miteinander verbindet. Sein Design bietet eine ausgezeichnete Flexibilität für den gesamten Akku.

„Die Energiedichte eines solchen flexiblen Akkus kann mehr als 85 Prozent eines handelsüblichen Akkus betragen“, erklärt Yang. „Aufgrund des hohen Anteils der aktiven Materialien in der gesamten Struktur weist unser Akku eine sehr hohe Energiedichte auf - höher als uns bislang von anderen Berichten bekannt. Die Batterie hat auch den harten dynamischen Belastungstest erfolgreich überstanden, dank unseres von der Natur inspirierten Designs.“

Yangs Team schnitt die konventionellen Anoden-, Separator-, Kathoden- und Separator-Stapel in lange Streifen mit mehreren „Ästen“, die im 90-Grad-Winkel aus dem „Rückgrat“ abzweigen. Dann wickelten sie jeden Ast um das Rückgrat, wie Wirbel in einer Wirbelsäule, um dicke Stapel zu bilden, in denen die Energie gespeichert wird. Bei diesem Design wird die Energiedichte des Akkus, die leicht über 90 Prozent erreichen kann, nur durch den Anteil an wirbelartigen Stapeln im Vergleich zur Gesamtlänge begrenzt.

Der Prototyp besteht aus einem dicken, starren Segment, das Energie speichert, wobei die Elektroden („Wirbel“) um einen dünnen, flexiblen Teil („Mark“) gewickelt sind, der die wirbelartigen Elektroden-Stapel miteinander verbindet.
Der Prototyp besteht aus einem dicken, starren Segment, das Energie speichert, wobei die Elektroden („Wirbel“) um einen dünnen, flexiblen Teil („Mark“) gewickelt sind, der die wirbelartigen Elektroden-Stapel miteinander verbindet. (Bild: Yuan Yang/Columbia Engineering)

Der Akku weist eine konstante Kapazität sowie ein stabiles Spannungsprofil auf, unabhängig davon, wie er gebogen oder verdreht wird. Nach den Tests demontierte das Team die Batterie, um die morphologische Veränderung der Elektroden-Materialien zu untersuchen. Sie stellten fest, dass die positive Elektrode intakt war, ohne offensichtliche Risse oder Ablösungen der Aluminiumfolie, was die mechanische Stabilität ihres Designs bestätigte. Um die Flexibilität ihres Designs weiter zu verdeutlichen, haben die Forscher die Batterie während des Entladens kontinuierlich gebeugt oder verdreht, wobei sie feststellen, dass weder das Biegen noch das Verdrehen die Spannungskurve unterbrochen habe.

„Unser wirbelsäulenähnliches Konzept ist mechanisch wesentlich robuster als herkömmliche Designs“, sagt Yang. „Wir gehen davon aus, dass unsere Methode zur Herstellung flexibler Lithium-Ionen-Akkus die Kommerzialisierung neuartiger, flexibler Geräte erheblich vorantreiben könnte.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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