Prototyp eines dehnbaren Stoffes

Die meisten Menschen kennen und schätzen die Fähigkeiten von Smartphones bereits. Stellen Sie sich nun die Möglichkeiten vor, die intelligente Raumanzüge, Uniformen und Trainingskleidung bieten. Die Zukunft der tragbaren Technologie hat dank eines Forscherteams der University of Houston (UH) gerade einen großen Aufschwung erfahrenentworfen, entwickelt und geliefertein erfolgreicher Prototyp einer vollständig dehnbaren Lithium-Ionen-Batterie auf Stoffbasis.

Die Idee für diese bahnbrechende Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie stammt von Haleh Ardebili, Bill D. Cook-Professor für Maschinenbau an der UH. „Als großer Science-Fiction-Fan könnte ich mir eine ‚Science-Fiction-ähnliche Zukunft‘ vorstellen, in der unsere Kleidung intelligent, interaktiv und leistungsstark ist“, sagte sie. „Es schien ein natürlicher nächster Schritt zu sein, dehnbare Batterien zu entwickeln und in dehnbare Geräte und Kleidung zu integrieren. Stellen Sie sich vor, Sie falten, biegen oder strecken Ihren Laptop oder Ihr Telefon in Ihrer Tasche. Oder wir verwenden interaktive Sensoren, die in unsere Kleidung eingebettet sind und unsere Gesundheit überwachen.“

Einige dieser Ideen werden bereits Wirklichkeit. Wie alle elektronischen Geräte benötigen sie jedoch Strom, und hier kommen die dehnbaren und flexiblen Batterien ins Spiel. Ein großer Engpass bei der Entwicklung der nächsten Generation von Elektronik oder in Textilien eingebetteter tragbarer Technologie besteht darin, dass herkömmliche Batterien im Allgemeinen starr sind, was die Funktionalität einschränkt der Artikel und sie verwenden einen flüssigen Elektrolyten, was Sicherheitsbedenken aufwirft. Die herkömmlichen organischen Flüssigelektrolyte sind brennbar und können unter bestimmten Bedingungen dazu führen, dass die Batterien Feuer fangen oder sogar explodieren.

Der Schlüssel zum Durchbruch des UH-Forschungsteams liegt darin, dass die Forscher leitfähiges Silbergewebe als Plattform und Stromabnehmer verwendeten.

„Das gewebte Silbergewebe war hierfür ideal, da es sich mechanisch verformt oder dehnt und dennoch die elektrischen Leitungswege bereitstellt, die für eine gute Funktion der Batterieelektrode erforderlich sind. Die Batterieelektrode muss die Bewegung sowohl von Elektronen als auch von Ionen ermöglichen“, sagte Ardebili, korrespondierender Autor eines Artikels in den Extreme Mechanics Letters, der diese Forschung detailliert beschreibt. Die Erstautorin des Artikels ist Bahar Moradi Ghadi, eine ehemalige Doktorandin, die ihre Dissertation auf dieser Forschung basierte.

Durch die Umwandlung starrer Lithium-Ionen-Batterieelektroden in tragbare, stoffbasierte, flexible und dehnbare Elektroden eröffnet diese Technologie spannende Möglichkeiten, indem sie stabile Leistung und sicherere Eigenschaften für tragbare Geräte und implantierbare Biosensoren bietet.

Die Idee zu dehnbaren Batterien kam Ardebili vor einigen Jahren.

„Ich war daran interessiert, die grundlegende Wissenschaft und die Mechanismen im Zusammenhang mit der Dehnung einer elektrochemischen Zelle und ihrer Komponenten zu verstehen“, sagte sie. „Dies war ein unerforschtes Gebiet in Wissenschaft und Technik und ein großartiges Gebiet, das es zu erforschen galt.“

Die Wissenschaft der Kopplungseffekte mechanischer Verformung und elektrochemischer Leistung ist ein wichtiges Gebiet und dehnbare Batterien bieten ein hervorragendes Mittel zur Erforschung der grundlegenden Mechanismen.

Ardebili entwickelte ihre Ideen zu Fördervorschlägen und gewann mehrere wichtige Auszeichnungen zur Unterstützung ihrer Arbeit, darunter einen fünfjährigen CAREER Award der National Science Foundation im Jahr 2013, einen New Investigator Award des NASA Texas Space Center Grant Consortium im Jahr 2014 und eine Auszeichnung des NASA Texas Space Center Grant Consortium US Army Research Lab (ARL) im Jahr 2017.

„Obwohl wir einen Prototyp erstellt haben, arbeiten wir immer noch an der Optimierung des Batteriedesigns, der Materialien und der Herstellung“, sagte Ardebili.

Ardebili ist optimistisch, dass der Prototyp einer dehnbaren Batterie auf Stoffbasis den Weg für viele Arten von Anwendungen ebnen wird, etwa für intelligente Raumanzüge, in Kleidungsstücke eingebettete Unterhaltungselektronik, die die Gesundheit der Menschen überwacht, und Geräte, die auf verschiedenen Ebenen mit Menschen interagieren. Es gibt viele mögliche Designs und Anwendungen für sichere, leichte, flexible und dehnbare Batterien, aber es gibt noch einiges zu tun, bevor sie auf den Markt kommen.

„Die kommerzielle Rentabilität hängt von vielen Faktoren ab, wie etwa der Steigerung der Herstellbarkeit des Produkts, den Kosten und anderen Faktoren“, sagte sie. „Wir arbeiten auf diese Überlegungen und Ziele hin, während wir unsere dehnbare Batterie optimieren und verbessern.“

Ob die dehnbaren Batterien letztendlich Raumanzüge, Trainingskleidung oder eine andere innovative Anwendung mit Strom versorgen, Ardebili möchte, dass sie zuverlässig und sicher sind. „Mein Ziel ist es, sicherzustellen, dass die Batterien so sicher wie möglich sind“, sagte sie.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Houston veröffentlicht