Ein selbstheilender Akku

Elektronik, die in Kleidung eingearbeitet werden kann, liegt im Trend. Aller­dings hakt es noch etwas bei der Strom­ver­sorgung. Wissen­schaftler aus China stellen jetzt dünne flexible Lithium­ionen-Akkus mit Selbst­heilungs­eigen­schaften vor, die sicher am Körper getragen werden könnten. Sogar nach einem voll­stän­digen Bruch wachsen sie wieder zusammen, ohne wesent­liche Ein­buße bei ihren elek­tro­chemi­schen Eigen­schaften.

Bisherige flexible Lithiumionen-Akkus für anziehbare Elektronik lassen sich zwar ohne Weiteres biegen und rollen, können aber brechen, wenn sie einer starken Verwin­dung ausge­setzt sind oder ver­sehent­lich einen Schnitt abbe­kommen – Unfälle, die beim Tragen am Körper durchaus vor­kommen können. Dabei versagen sie nicht nur, sondern es können auch ernst­hafte Sicher­heits­probleme auf­treten: Brenn­bare, giftige oder ätzende Gase oder Flüssig­keiten können aus­treten.

Das Team um Yonggang Wang und Huisheng Peng von der Fudan University in Schang­hai hat jetzt eine neue Familie Lithium­ionen-Akkus ent­wickelt, die derar­tige Unfälle dank ihrer erstaun­lichen Selbst­heilungs­kräfte meistern kann. Damit einem kompli­zierten Bau­teil wie einem Akku Selbst­heilungs­kräfte einge­haucht werden können, müssen alle einzelnen Bestand­teile selbst­heilend sein. Die Wissen­schaftler konnten das jetzt auf folgende Weise reali­sieren: Die Elek­troden der Akkus bestehen aus Lagen parallel ausge­rich­teter Kohlen­stoff­nano­röhrchen, zwischen die die benötigten Lithium­verbin­dungen in Form von Nano­partikeln einge­bettet wurden. Anders als bei herkömm­lichen Lithium­ionen-Akkus können die Lithium­verbin­dungen hier nicht aus den Elek­troden aus­treten, weder im Betrieb, noch bei einem Bruch. Die dünnen Schicht-Elek­troden sind jeweils auf einem Sub­strat aus einem selbst­heilenden Polymer fixiert. Zwischen den Elek­troden befindet sich ein neu­artiger löse­mittel­freier Elektro­lyt aus einem Cellu­lose-basierten Gel, in das eine wässrige Lithium­sulfat-Lösung einge­bettet ist. Dieser Gel­elek­tro­lyt dient gleich­zeitig als Trenn­schicht zwischen den Elek­troden.

Nach einem Bruch reicht es, die Bruchstellen einige Sekunden lang zu­sam­men­­zu­drücken, damit diese wieder zusammen­wachsen. Nicht nur das selbst­heilende Polymer, auch die Kohlen­stoff­nano­röhrchen kleben dann wieder perfekt anein­ander – dank ihrer paral­lelen Aus­rich­tung wesent­lich besser als bei Schichten aus unge­ord­neten Kohlen­stoff­nano­röhrchen. Auch der Elek­tro­lyt stellt kein Problem dar. Während sich her­kömm­liche Elek­tro­lyte bei Luft­kontakt sofort zer­setzen, ist das neue Gel an Luft stabil. Frei von orga­nischen Löse­mitteln ist es weder brenn­bar noch toxisch, sondern sicher in der An­wendung.

GDCh / RK