Strom aus dem Ärmel geschüttelt

Flexible Smartphones, „intelligente“ Armbänder oder Brillen mit eingebautem Computer: Damit diese Trends sich durchsetzen können, werden passende Stromquellen benötigt.

Chinesische Wissenschaftler haben jetzt einen drahtförmigen Lithiumionen-Akku entwickelt, der zwei Verbundgarne aus Kohlenstoffnanoröhren und Lithiumtitanoxid bzw. Lithiummanganoxid als Elektroden enthält. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang es, die drahtförmigen Akkus zu leichten, flexiblen, dehnbaren und dabei sicheren Textil-Akkus mit hoher Energiedichte zu verweben.

Bisherige Ansätze, drahtförmige elektrochemische Superkondensatoren durch Verzwirbeln zweier faserförmiger Elektroden herzustellen, brachten keine ausreichende Leistungsfähigkeit, um auf den Markt zu kommen. Lithiumionen-Akkus erzielen wesentlich höhere Energiedichten, ließen sich bislang jedoch nicht als drahtförmige Varianten herstellen.

Neben anderen Hindernissen kommt hier das mit Lithiumionen-Akkus verbundene Sicherheitsproblem besonders zum Tragen. Ursache ist vor allem das so genannte dendritische Lithium, das beim Überladen entstehen kann, aus der Anode „herauswächst” und zu einem Kurzschluss führt. Die Akkus können sich dadurch entzünden. Für drahtförmige Akkus, die zudem während der Benutzung gedehnt, verdreht und gebogen werden, scheint dies besonders kritisch.

Dem Team von der Fudan University in Shanghai um Huisheng Peng ist jetzt die Herstellung drahtförmiger Lithiumionen-Akkus mit hoher Energiedichte gelungen, die dabei dennoch sicher sind. Erfolgsgeheimnisse sind der spezielle Aufbau sowie die gewählten Materialien. als Anode bzw. Kathode dienen zwei Fäden aus parallel ausgerichteten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, in die Lithiumtitanoxid (LTO)- bzw. Lithiummanganoxid (LMO)-Nanopartikel eingelagert sind.

Während des Aufladens werden Lithiumionen aus dem LMO-Gitter in den Elektrolyten übertragen und dann in das LTO-Gitter der Anode eingelagert. Beim Entladen findet der umgekehrte Prozess statt. Da das Einlagern von Lithium an der verwendeten LTO-Verbundelektrode bei etwa 1,5 V (gegen Li/Li+) stattfindet, ist das Risiko von Kurzschlüssen aufgrund von dendritischem Lithium nur sehr gering, sodass die Akkus sicher sind.

Die parallel angeordneten kontinuierlichen Kohlenstoffnanoröhrchen sind nicht nur Träger der Nanopartikel, sondern auch effektive Wege für den Ladungstransport und dienen als Stromabnehmer. Die zwei Elektroden-Fäden werden parallel angeordnet und durch eine Isolationsschicht getrennt und mit einer Art Schrumpfschlauch zusammengehalten.

Damit die Drähte dehnbar werden, können sie um einen elastischen Faden, z.B. aus Polydimethylsiloxan, gewickelt und mit einer dünnen Schicht eines Gelelektrolyten beschichtet werden. Weder wiederholtes Dehnen auf die doppelte Länge noch Tausende von Deformationszyklen beeinträchtigen die Kapazität der Akkus.

Die drahtförmigen Akkus lassen sich zu langen Fäden und diese zu einem Gewebe verflechten, das in Textilien eingearbeitet werden könnte.

Angewandte Chemie: Presseinfo 22/2014

Autor: Huisheng Peng, Fudan University, Shanghai (China), http://www.polymer.fudan.edu.cn/polymer/research/Penghs/member_en.htm

Angewandte Chemie, Permalink to the article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201402388

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