Ein dehnbarer Stoff

Feb 12, 2024

Andrew Corselli

Die Zukunft der tragbaren Technologie ist gerade rosiger geworden, dank eines Forscherteams der University of Houston, das einen erfolgreichen Prototyp einer vollständig dehnbaren, stoffbasierten Li-Ionen-Batterie entworfen, entwickelt und geliefert hat.

Die Idee für diese Li-Ionen-Batterie kam von Professor Haleh Ardebili, der sagte: „Als großer Science-Fiction-Fan könnte ich mir eine ‚Science-Fiction-ähnliche Zukunft‘ vorstellen, in der unsere Kleidung intelligent, interaktiv und mit Strom versorgt ist.“ 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, um unsere Gesundheit zu überwachen.“

Ein großer Engpass bei der Entwicklung der nächsten Generation tragbarer Technologien, die in Textilien eingebettet sind, besteht darin, dass herkömmliche Batterien im Allgemeinen starr sind, was zu einer eingeschränkten Funktionalität führt – und sie einen flüssigen Elektrolyten verwenden – was Sicherheitsbedenken aufwirft. Die herkömmlichen organischen Flüssigelektrolyte sind brennbar und können zu Explosionen führen.

Der Schlüssel zum Durchbruch ist die Verwendung von leitfähigem Silbergewebe als Plattform und Stromkollektor.

„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 der korrespondierende Autor Ardebili.

„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.“

„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, stoffbasierten Batterie 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.

„Bei der kommerziellen Rentabilität kommt es vor allem auf Kosten und Umfang an“, sagte Ardebili gegenüber Tech Briefs in einem exklusiven Interview, dessen gesamtes Interview weiter unten nachgelesen werden kann. „Es besteht tatsächlich ein klarer Bedarf an solchen Batterien in zukünftigen dehnbaren elektronischen Geräten. Wenn diese Produkte kommerzialisiert werden, vermute ich, dass auch diese Batterie kommerzialisiert wird. Ich gehe von einer Zeitspanne von etwa einem Jahrzehnt aus.“

Unabhängig davon, 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.

Hier ist das Tech Briefs-Interview mit Ardebili – aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Technische Briefs: Ich bin mir sicher, dass es zu viele waren, um sie aufzuzählen, aber was war für Sie die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung dieses Prototyps?

Brennbar : Ja, es gab viele Herausforderungen. Insbesondere bei diesem Projekt dauerte es mehr als fünf Jahre, bis dieser Zustand erreicht war. Ein Haupthindernis war die Integration des Gewebes in die Batteriefunktionalität.

Technische Briefs: Können Sie in einfachen Worten erklären, wie es funktioniert?

Brennbar : In dieser Batterie ist das elektrochemische Aktivmaterial, das durch Lithium-Bindung und -Entbindung (Interkalation) Ladung liefert, auf ein dehnbares Silbergewebe aufgetragen und abgeschieden. Da die Lithiumionen innerhalb der Batterie zwischen den negativen und positiven Elektroden hin und her pendeln, kann sich die Batterie aufgrund der Dehnbarkeit des Gewebes und des Polymerelektrolyten gleichzeitig dehnen.

Technische Briefs : In dem Artikel, den ich gelesen habe, werden Sie mit den Worten zitiert: „Obwohl wir einen Prototyp erstellt haben, arbeiten wir immer noch an der Optimierung des Batteriedesigns, der Materialien und der Herstellung.“ Wie kommt das? Gibt es Updates, die Sie teilen können?

Brennbar : Obwohl wir einen Prototyp haben, gibt es immer einen Anstoß, die Leistung und Effizienz der Batterie zu steigern. Denken Sie an unsere älteren Laptops oder Telefone zurück. Einmal aufgeladen würden sie schnell ihre Kapazität verlieren. Neuere Modelle können deutlich länger ohne Aufladung durchhalten. Wir optimieren das Design präzise, ​​um eine große Kapazität und eine längere Lebensdauer zu erreichen. Die Arbeit ist mühsam, aber wir machen Fortschritte.

Technische Briefs : Was sind davon ausgehend Ihre nächsten Schritte? Jede zukünftige Forschung/Arbeit/etc. am Horizont?

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Brennbar: Wir arbeiten an anderen Arten flexibler und dehnbarer Batterien mit unterschiedlichen Materialien, die sich biegen, verformen und dehnen und gleichzeitig Energie und Leistung liefern.

Technische Briefs: Haben Sie einen Rat für Ingenieure, die ihre Ideen verwirklichen möchten?

Brennbar : Wenn Sie eine Vision für ein interessantes Gerät, Konzept oder Produkt haben, geben Sie nicht auf, egal wie schwierig es scheint, diese zu verwirklichen. Fast alle der aufsehenerregendsten Erfindungen galten als „unmöglich“, kurz bevor jemand sie in die Realität umsetzte.

Technische Briefs: Möchten Sie noch etwas hinzufügen?

Brennbar : Ich bin fest davon überzeugt, dass die „Science-Fiction-artige“ Zukunft unserer Welt auf nur wenigen wichtigen Feldern basieren wird. Um nur einige zu nennen: KI und dehnbare/flexible Elektronik. Ich hoffe, wir haben dieser Suche einen kleinen Abbruch getan.