Materialwissenschaft
Bildschirme können jetzt biegen – warum nicht Batterien?
Einer der am meisten diskutierten Anziehungspunkte auf dem diesjährigen Mobile World Congress war die Vorführung des Motorola-Konzepts für ein biegbares Telefon. Das Telefon konnte sich um das Handgelenk wickeln.
Obwohl vollständig flexible Handybildschirme bereits seit einiger Zeit existieren, war das Konzepttelefon von Motorola – biegbar – eine Klasse für sich.
Es war nicht nur ein vollwertiges flexibles Smartphone mit Kamera, sondern verfügte über eine integrierte generative KI, die innerhalb von 10 Sekunden ein Farbschema passend zur Kleidung des Trägers erzeugen konnte.
Während biegbare Telefone immer mehr verbreitet werden, werden wir heute das Szenario rund um Batterien diskutieren. Die Frage lautet: Wenn Bildschirme jetzt biegen können, warum nicht Batterien?
In einer jüngsten Entwicklung haben Forscher in ACS Energy Letters eine Lithium-Ionen-Batterie mit vollständig dehnbaren Komponenten gemeldet, einschließlich einer Elektrolytschicht, die sich um bis zu 5000 % ausdehnen kann.
Das Gute an der Batterie ist, dass ihre Dehnbarkeitseigenschaften die Leistung der Batterie nicht beeinträchtigen, da sie nach fast 70 Lade‑/Entladezyklen ihre Ladungsspeicherkapazität beibehalten kann.
Im Folgenden werden wir die Eigenschaften dieser Batterie genauer untersuchen.
Biegsame und dehnbare Batterien zur Ausstattung elektronischer Geräte mit denselben Eigenschaften
Die aktuelle Forschung stellt einen Durchbruch in diesem Bereich dar. Bisher haben die Bemühungen, biegbare und dehnbare Batterien zu bauen, versucht, gewebte leitfähige Stoffe oder starre Komponenten, die zu ausdehnbaren Formen gefaltet werden, zu nutzen, wie es geschieht in der japanischen Papierfaltkunst des Origami.
Allerdings hat diese Technik ein Problem, da eine wirklich formbare Batterie erfordert, dass sie in allen Teilen elastisch ist, einschließlich der Elektroden, die Ladung sammeln, und der ladungsausgleichenden Komponenten in der mittleren Elektrolytschicht.
Aber keiner der Prototypen, die wir bisher gesehen haben, verfügt über vollständige Elastizität. Stattdessen besitzen sie moderate Elastizität und erfordern einen komplexen Montageprozess, der zusätzlich durch begrenzte Energiespeicherkapazität beeinträchtigt wird, insbesondere bei längerem Gebrauch mit wiederholtem Laden und Entladen.
Das Problem der Ladeineffizienz entsteht durch die schwache Verbindung zwischen der Elektrolytschicht und den Elektroden. Außerdem könnte das flüssige Elektrolyt instabil sein und sich bei Formänderungen der Batterie bewegen.
Das Team untersuchte diese Probleme und entwickelte Lösungen.
Innovative Lösungen zur Erreichung vollständiger Elastizität
Das Team dachte daran, das Elektrolyt in einer Polymerschicht zu verwenden zwischen zwei flexiblen Elektrodenfilmen zu verschmelzen, um eine vollständig feste, dehnbare Batterie zu erzeugen.
Für die Elektroden entwickelte das Team eine Strategie, einen dünnen Film aus leitfähiger Paste, die Silbernanodrähte, Ruß und lithiumbasierte Kathoden- oder Anodenmaterialien enthält, auf eine Platte aufzutragen.
Als nächstes trugen sie eine Schicht Polydimethylsiloxan, ein flexibles Material, das häufig in Kontaktlinsen verwendet wird, auf die Paste auf.
Schließlich wendeten die Forscher obenauf ein Lithiumsalz, eine hochleitfähige Flüssigkeit, und die Zutaten zur Herstellung eines dehnbaren Polymers an.
Als all diese, in mehreren Schichten gestapelt, durch Licht aktiviert wurden, bildeten die Komponenten eine feste, gummiartige Schicht, die bis zu 5000 % ihrer ursprünglichen Länge dehnen konnte, ohne Probleme beim Transport von Lithiumionen.
Das gesamte Gerät wurde versiegelt mit einer Schutzbeschichtung, und der Stapel, wie bereits erwähnt, enthielt eine zusätzliche Schicht aus Elektrodenfilm.
Die Forscher verglichen ihre Lösung mit bestehenden Lösungen auf dem Markt, die dasselbe Ziel verfolgen. Die Vergleichsergebnisse waren wie folgt:
Vergleich zwischen dem neuen festen, dehnbaren Batteriedesign und Geräten, die mit herkömmlichem flüssigem Elektrolyten betrieben werden
- Die neue Version bot eine sechsmal höhere durchschnittliche Ladekapazität bei schneller Ladegeschwindigkeit.
- Die neue Lösung konnte bei 67 Lade‑ und Entladezyklen eine erhöhte Stabilität beibehalten.
- Der Polymer‑Elektrolyt funktionierte über 1000 Zyklen hinweg stabil, wobei die Kapazität in den ersten 30 Zyklen um 1 % sank. In einer flüssigen Elektrolytlösung betrug der Verlust bis zu 16 %.
Die Forscher glauben, dass, obwohl noch viel zu erreichen bleibt, die Forschung und ihre Ergebnisse ein starkes und vielversprechendes Vorankommen bei der Schaffung von tragbaren oder implantierbaren Geräten darstellen, die sich mit dem Körper biegen und bewegen.
Während Forschungseinrichtungen stets als Vorreiter für die Weiterentwicklung jeder Branche fungieren, erweisen sich nicht alle Innovationen als praktikabel für den realen Einsatz. Innovation müssen ein Element der Anwendbarkeit besitzen, und sie müssen auch für die Einführung in einem skalierten Betriebsparadigma förderlich sein.
Im Jahr 2019, ein weiteres Forscherteam der Johns Hopkins Applied Physics Laboratory entwickelte eine flexible Lithium-Ionen-Batterie, die unter extremen Bedingungen wie Schneiden, Untertauchen und simuliertem ballistischem Aufprall funktionieren konnte. Die Forscher stellten zudem sicher, dass die Batterien nicht brennbar waren.
“Water-In-Salt” und “Water-In-Bisalt” Elektrolyte für flexible nicht brennbare Batterien
Die Forscher boten neue Erkenntnisse durch die Entdeckung von einer neuen Klasse von \”water-in-salt\” und \”water-in-bisalt\” Elektrolyten – bezeichnet als WiS und WiBS – die, wenn sie in eine Polymermatrix eingebettet werden, die Wasseraktivität reduzieren und die Energiekapazität sowie den Lebenszyklus der Batterie erhöhen können.
Gleichzeitig befreite der Mechanismus das Batteriekonzept von Entflammbarkeit, Toxizität und hochreaktiven Lösungsmitteln die darin vorhanden sind. Das Ergebnis war in Form einer flexiblen Batterie, die sicher und leistungsstark war.
Laut Konstantinos Gerasopoulos von der Forschungs- und Explorationsentwicklungsabteilung von APL, der die Forschung ebenfalls leitete:
“Li-Ion-Batterien sind bereits ein ständiger Begleiter in unserem Alltag, von unseren Handys bis zu unseren Autos, und ihre Sicherheit weiter zu verbessern ist entscheidend, um die Energiespeichertechnologie voranzutreiben.”
Er erklärte die Bedeutung der Forschung und sagte:
“Unser jüngstes Papier zeigt eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit und Leistung von wasserbasierten flexiblen Polymer‑Li‑Ion‑Batterien, die im Freien gebaut und betrieben werden können.”
Während die laufende Forschung viele Durchbrüche bot, haben einige Unternehmen auch konsequent hergestellt flexible Batterien für elektronische Geräte.
#1. Samsung
Vor mehr als vier Jahren zeigte ein Patent, das der World Intellectual Property Office (WIPO) Datenbank hinzugefügt wurde, dass Samsung eine faltbare Batterie entwickelt hatte um Geräte derselben Art zu betreiben. Die patentierte Batterie wurde konzipiert mit Schichten, die es einer ihrer Zellen ermöglichten, über eine flexible Verbindung mit einer anderen zu verbinden. Diese flexible Verbindung überquerte den Scharnierbereich des Geräts und eliminierte die Notwendigkeit zweier separater fester Batterien.
Das Patent, laut Berichten, bezog sich auf die Herstellung von Batterien, die in die Galaxy Fold-Serie. Der Erfolg der Batterielösung bedeutete, dass das Unternehmen sich nicht um die Herstellung zweier separater konventioneller Komponenten kümmern musste. Stattdessen konnte eine Zelle durch das Scharnier des Geräts in die nächste übergehen, dank des verbindenden Mittelstreifens.
Das Patent behauptete, das Scharnier bestehe aus “Grundmaterial”, “Mischschichten” und “isolierenden Trennschichten”. Laut Experten ermöglichte der Mechanismus, dass die aktiven ladetragenden Schichten in den Zellen interagieren konnten, während sie das Telefon über ein einheitliches Schutzschaltungsmodul (PCM) mit Strom versorgen und mit der Hauptplatine verbinden.
Das Samsung Galaxy Z Fold 6 ist bereits auf dem Markt, was darauf hindeutet, dass Samsungs faltbare Batterietechnologie erfolgreich ist. Das Telefon verfügt über ein großes 7,6‑Zoll‑OLED-Display und kann kontinuierliches Surfen über 5G (in diesem Fall T‑Mobile), wobei die Helligkeit des Displays auf 150 Nits eingestellt ist.
Laut einer Bewertung des Geräts erreichte es im Schnitt 10 Stunden und 35 Minuten über vier Tests, übertraf damit die Laufzeiten des Google Pixel Fold (10:21), lag jedoch hinter dem OnePlus Open (11:31) zurück.
Während er seine Meinung zur Batteriekapazität der Fold-Serie äußerte, hatte der Rezensent – zusammengefasst – Folgendes zu sagen:
“Im täglichen Gebrauch fand ich, dass das Z Fold 6 eine ziemlich starke Akkulaufzeit liefert. Bei gemischter Nutzung fällt die Akkuanzeige typischerweise bis 20 % bis 25 % gegen 20 Uhr, was der Zeitpunkt ist, an dem ich ohnehin ein Ladegerät heraushole. Aber ich würde mir sicherlich mehr Ausdauer an Tagen wünschen, an denen ich reise oder ständig Slack nutze.”
Insgesamt kann Samsungs Vorstoß in faltbare, flexible oder biegbare Telefonbatterien durchaus als Erfolg bezeichnet werden, mit stets vorhandenen Verbesserungsmöglichkeiten .
Finanziell gesehen hat Samsung Electronics kürzlich seine Finanzergebnisse für das erste Quartal 2024 veröffentlicht, die ein signifikantes Wachstum in verschiedenen Segmenten zeigen. Das Unternehmen erzielte einen konsolidierten Umsatz von 71,92 Billionen KRW ($52,08 Milliarden), was einem Anstieg von 13 % gegenüber dem gleichen Zeitraum im Vorjahr entspricht. Der operative Gewinn sprang um 933 % auf 6,61 Billionen KRW ($4,78 Milliarden), vor allem angetrieben durch starke Verkäufe in den Speicherchip- und Smartphone‑Divisionen. Die Smartphone‑Division verzeichnete beeindruckende Ergebnisse, wobei die Galaxy‑S24‑Serie wesentlich zum Umsatz und operativen Gewinn beitrug.
#2. Jenax
Ein weiteres Unternehmen, das Pionierarbeit im Bereich der Biegsamkeit oder Dehnbarkeit von Batterien leistet, ist Jenax. Eines seiner innovativsten Flaggschiffprodukte ist J.Flex, Jenaxs innovative, flexible, Festkörper‑, Schnell‑Lade‑, wiederaufladbare Lithium‑Ion‑Batterie.
Das Unternehmen behauptet, dass sein Produkt sich vollständig biegen und mit dem Gerät bewegen kann, ohne an Leistung zu verlieren. In Bezug auf seine Anwendung richtet sich die Batterie an ein breites Feld, einschließlich IT‑Wearables, Gesundheits‑ und Fitness‑Wearables, Mode und das Militär.
Die J.Flex‑Batterien können gebogen oder gerollt werden, um die Flexibilität von Next‑Generation‑Geräten zu erhöhen. Selbst bei ständigem dynamischem Biegen kann sie dieselbe Effizienz und Kapazität wie das nicht‑biegende Basisniveau erreichen.
J.Flex unterstützt die Anpassung, da ein Designer nun bedenkenlos neue Formen und Größen – die zuvor nicht verfügbar waren – entwerfen kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Batterie entspricht zudem internationalen Standards, um Sicherheit für alle Anwendungen zu gewährleisten.
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Biege es wie eine Batterie: Zukunftstrends in der Biegsamkeit von Batterien.
Das Volumen der in diesem Bereich laufenden Forschung macht das Feld vielversprechend für Wachstum. Unternehmen werden bei ihren Elektronik‑Designs immer innovativer. Sie stellen sich neue Ästhetik vor und schaffen eine Nachfrage nach Biegsamkeits‑, Dehnbarkeits‑ und Flexibilitäts‑Eigenschaften in Batterien, die schließlich ihre Geräte mit Strom versorgen werden.
Während wir bereits zwei solcher Forschungs Studien, die das Thema weiterführen, wir die heutige Diskussion abschließen, indem wir betrachten ein weiteres, das voll sein könnte Anwendungen in den kommenden Tagen. Ein Forscherteam der University of Houston entwarf und entwickelte einen Prototyp einer vollständig dehnbaren, stoffbasierten Lithium‑Ion‑Batterie.
Die Forscher nutzten leitfähigen Silberstoff als Plattform und Stromsammler, was sich als Durchbruch erwies. Während sie erklärten, was die Forschung erreicht hatte und welche Bedeutung sie hat, sagte Haleh Ardebili, Bill D. Cook Professor für Maschinenbau an der UH, die für die Forschung verantwortlich war:
“Es schien der natürliche nächste Schritt zu sein, dehnbare Batterien mit dehnbaren Geräten und Kleidung zu schaffen und zu integrieren. Stellen Sie sich vor, Ihren Laptop oder Ihr Telefon in Ihrer Tasche zu falten, zu biegen oder zu dehnen oder interaktive Sensoren in unserer Kleidung zu verwenden, die unsere Gesundheit überwachen.”
Die Forschung birgt nicht nur das Potenzial, neue Grenzen in der Nutzung von Batterien in unserem Alltag zu eröffnen, sondern sie korrigierte auch einen grundlegenden Nachteil, der bis dahin bestand: das Problem der Steifheit. Ähnlich wie die Johns‑Hopkins‑Forschung von 2019 verwandelten die UH‑Forscher starre Lithium‑Ion‑Batterieelektroden in tragbare, stoffbasierte, flexible und dehnbare Elektroden mit festem Polymer‑Elektrolyt.
Laut Ardebili:
“Die Batterielektrode muss die Bewegung sowohl von Elektronen als auch von Ionen ermöglichen.”
Diese Anforderung könnte effizient erfüllt werden mit dem Einsatz von gewebtem Silberstoff, da er sich mechanisch verformen oder dehnen lässt und dennoch die für das ordnungsgemäße Funktionieren der Batterielektrode notwendigen elektrischen Leitungswege bereitstellt.
Obwohl die Batterietechnologie sich noch in einer frühen Testphase befand, konnten sich die Forscher ihre Anwendbarkeit in intelligenten Raumanzügen, in in Kleidung integrierter Unterhaltungselektronik, die die Gesundheit der Menschen überwacht, und in Geräten, die auf verschiedenen Ebenen mit Menschen interagieren, gut vorstellen. Allerdings, wie bei allen Erfindungen, hing die Realisierbarkeit dieses Ansatzes auch von der Skalierung der Herstellbarkeit, dem Management der Kostenstruktur und ähnlichen Faktoren.
In den kommenden Tagen werden wir mehr Innovationen in unseren Smartphones sehen. Ein weiteres wachsendes Feld ist Wearable‑Technologie, die auf Gesundheit und Fitness abzielt. Mode und Accessoires werden ebenfalls elektronische Elemente integrieren.
All dies wird zu einer steigenden Nachfrage nach dehnbaren Batterien führen. Die Forscher werden eine zunehmende Verbreitung ihrer Technologie in verschiedenen Branchen sehen. Allerdings darf man die Aspekte Sicherheit, Langlebigkeit und Leistung bei der Herstellung nicht vergessen.
