Garn

Forscher haben eine wiederaufladbare Zink-Ionen-Batterie zu einem elastischen Garn geformt, das beim Biegen, Strecken, Waschen mit Wasser und sogar beim Schneiden Strom erzeugt.

Die Zinkgarnbatterie könnte in waschbare, mit Sensoren ausgestattete intelligente Kleidung eingewebt und in kommerzielle Textilien integriert werden, um tragbare Displays, Elektronik und medizinische Implantate mit Strom zu versorgen.

Das Garn ergänzt eine Reihe innovativer flexibler Energieerzeugungs- und -speichergeräte, die in Power Fabrics integriert werden können. Die Liste umfasst Solarzellenbänder, die in Stoffe eingewebt werden können, gestrickte Superkondensatoren und stromerzeugende Garne, die mechanische Energie oder den triboelektrischen Effekt nutzen, um Strom zu erzeugen.

Einige Forscher haben versucht, flexible Versionen der leistungsstarken Zink-Mangan-Alkalibatterie zu entwickeln, da sie nachweislich eine hohe Kapazität, niedrige Kosten und Sicherheit bietet. Diese flexiblen Versionen hatten jedoch geringe Kapazitäten. Außerdem können diese Primärbatterien nicht wieder aufgeladen werden. Doch Forscher haben kürzlich leistungsstarke wiederaufladbare Zink-Ionen-Batterien entwickelt.

Schematische Darstellung der Herstellung und Einkapselung des Garns ZIBIllustration: American Chemical Society

Chunyi Zhi von der City University of Hong Kong und seine Kollegen stellten ihre fadenförmige wiederaufladbare Zinkbatterie her, indem sie Kohlenstoffnanoröhrenfasern zu Garn drehten. Sie beschichten ein Stück Garn mit Zink, um eine Anode herzustellen, und ein anderes mit Mangandioxid, um als Kathode zu dienen. Dann wickeln sie die beiden Garnstücke auf eine elastische Faser, tränken sie mit einem üblicherweise verwendeten wasserabsorbierenden Gel und umhüllen das Gerät mit elastischem Silikon und einem wasserabweisenden Mittel.

Die in ACS Nano beschriebene Garnbatterie hat eine Energiedichte von 53,8 Milliwattstunden pro Kubikzentimeter, was etwa dreimal so viel ist wie handelsübliche Dünnschicht-Lithium-Ionen-Batterien. Nach 500 Ladezyklen behält es über 98 Prozent seiner Kapazität.

„Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die unter Sicherheits- und Kostenproblemen leiden, kann diese Garnbatterie unter verschiedenen schwierigen Bedingungen gut funktionieren“, sagt Zhi. Es behält 95 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität, wenn es gebogen, geknotet, gedreht und auf das Dreifache seiner Länge gedehnt wird. Und es behielt über 96 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität, nachdem es 12 Stunden lang in Wasser eingeweicht wurde.

Als weiteren Beweis für die Stärke und Coolness des Garns fertigte das Team ein 1 Meter langes Garn an, schnitt es in acht Stücke und zeigte, dass jedes Stück eine Uhr antreiben kann. Dann verwoben sie die Teile zu einem Batterietextil, das Pulsmesser, einen Streifen mit 100 LEDs und ein 10 cm x 10 cm großes flexibles Elektrolumineszenzpanel mit Strom versorgen konnte.

Die Forscher versuchen nun, die Garnbatterien in kommerzielle Stoffe zu integrieren und eine groß angelegte Herstellungsmethode für die Batterien zu entwickeln, sagt Zhi. „Wir planen auch die Entwicklung anderer Arten von Garnbatterien mit mehr Funktionen wie Selbstheilungsfähigkeit oder Selbstladefähigkeit in Kombination mit einer Solarzellenkomponente.“