Neuartige Lithium-Ionen Akkus können auf jede beliebige Oberfläche aufgetragen werden Forscher erfinden die erste Batterie zum Aufsprühen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neuartige Lithium-Ionen Akkus können auf jede beliebige Oberfläche aufgetragen werden

Forscher erfinden die erste Batterie zum Aufsprühen

Die Sprühbatterie enthält die gleichen Schichten wie ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku (links), rechts ist der Aufsprühvorgang der drei inneren Schichten der Sprühbatterie dargestellt. © Neelam Singh/Rice University

US-amerikanische Forscher haben den ersten aufsprühbaren Lithium-Ionen-Akku entwickelt. Der wiederaufladbare Stromspeicher besteht aus fünf dünnen Schichten Spezialfarbe und kann auf jede beliebige Oberfläche aufgetragen werden. Der neue Akku habe alle Vorteile einer herkömmlichen Batterie: Er liefere stabil Strom, lasse sich mit anderen Geräten, beispielsweise einer Solarzelle, verbinden und sei ohne große Leistungseinbußen vielfach wiederaufladbar, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Scientific Reports“ (doi: 10.1038/srep000481). Zusätzlich aber eröffne der Akku völlig neue Anwendungsmöglichkeiten und Formen. Er lasse sich einfach in Alltagsobjekte von der Badezimmerkachel über flexible Kunststoffgegenstände bis hin zu Tassen oder anderen runden Behältern integrieren, sagen die Forscher. Die dafür nötige Technologie des Sprühbeschichtens werde in der Industrie bereits vielfach eingesetzt.

„Das bedeutet einen echten Paradigmenwechsel: Traditionelle Batterieformen werden nun abgelöst von flexibleren Ansätzen, die ganz neue Designs ermöglichen“, sagt Studienleiter Pulickel Ajayan von der Rice University in Houston. Bisher seien Lithium-Ionen-Akkus nur auf rechteckige oder zylindrische Formen beschränkt. Jetzt habe man die traditionellen Komponenten so angepasst, dass sie in Flüssigkeit gelöst und dann schichtweise aufgesprüht werden können.

Die Aufschrift "RICE" auf diesem Bierkrug besteht aus dem aufsprühbaren Lithium-Ionen-Akku. © Jeff Fitlow / Rice University

Bierkrug mit Akku in Schriftform verziert

Per Sprühbeschichtung erzeugten die Forscher unter anderem eine stromspeichernde Schrift auf einem Bierkrug. Durch eine Schablone aufgetragen bildete der Akku die Buchstaben „RICE“ – den Namen der Universität. „Das zeigt wie flexibel sich der Akku an die Oberflächenform anpasst und welche Formen er annehmen kann“, sagen die Wissenschaftler. Die Sprühbatterie hielt zudem problemlos auf Glas, auf Metall, Keramik und Kunststoffoberflächen.

In einem weiteren Versuch beschichteten die Wissenschaftler neun herkömmliche Badezimmerkacheln mit dem Sprühakku und schlossen sie dann parallel zusammen. Eine Kachel luden sie mit Hilfe einer Solarzelle auf, die anderen über eine Stromleitung. Voll aufgeladen hätten die Batterien eine konstante Spannung von 2,4 Volt geliefert, berichten Ajayan und seine Kollegen. Damit habe man einen LED-SChriftzug sechs Stunden lang leuchten lassen können. Die Akkus seien zudem auch nach mehr als 60-maligem Wiederaufladen stabil und hätten mehr als 90 Prozent ihrer Kapazität behalten.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des aufsprühbaren Lithium-Ionen-Akkus, deutlich sind die fünf einzelnen Schichten zu erkennen. © Ajayan Lab/Rice University

Fünf Schichten wie bei normalen Lithium-Ionen-Akku

Wie ein normaler Lithium-Ionen-Akku besteht auch die neue Batterie aus fünf Schichten: Zwei Schichten mit unterschiedlichen Lithiumverbindungen dienen als Elektroden, die eigentlichen Speicher der Ladung. Dazwischen befindet sich eine Trennschicht aus einem speziellen Polymer vermischt mit Siliziumdioxid. An der Ober- und Unterseite schließt jeweils eine Kollektorschicht den Stapel ab, sie sammeln die freigesetzte Spannung und leiten sie nach außen ab, beispielsweise in ein Gerät oder ein Kabel. Beim aufsprühbaren Akku besteht die untere Kollektorschicht aus Nanokarbonröhrchen gemischt mit weiteren Komponenten, wie die Forscher erklären. Den oberen Abschluss bilde ein kommerziell erhältlicher, elektrisch leitender Kupferlack.

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Damit ein Akku entsteht, müssen die fünf Schichten nacheinander auf eine beliebige, auf 120 Grad Celsius erhitzte Oberfläche aufgesprüht werden, wie die Forscher berichten. Am Schluss wird der weniger als einen Millimeter dicke Schichtstapel mit einer Elektrolytlösung getränkt und mit einer dünnen Plastikfolie abgedichtet. Ajayan und seine Kollegen haben bereits ein Patent auf diese Erfindung angemeldet. (doi: 10.1038/srep000481)

Video zur Sprühbatterie auf Youtube:

http://youtu.be/qJDI5cAdhys

(Scientific Reports, 29.06.2012 – NPO)

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