Neue Batterie zieht Energie aus der Luft und zerstört sich bei Manipulation

Wearables, Miniaturroboter und andere vernetzte Sensoren brauchen leichte, flexible Stromquellen. Herkömmliche Batterien liefern zwar zuverlässig Energie, bringen aber zwei hartnäckige Probleme mit: giftige, entzündliche Elektrolyte und starre Bauformen, die sich schlecht an Haut oder bewegliche Geräte anpassen. Energy Harvester umgehen diese Nachteile, liefern jedoch meist zu wenig und zu unstete Leistung. Forscher:innen der North Carolina State University und der Rice University haben nun eine dehnbare Batterie entwickelt, die Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft zieht, um Strom zu erzeugen, und dabei völlig ohne klassischen Flüssigelektrolyt auskommt.

Bild: Rajaram Kaveti / NC State University

Salzwasser statt Giftstoffe

Die sogenannte Moisture-Activated Battery (MAB) besteht aus einer Magnesium-Anode, einer Silber/Silberchlorid-Kathode und einer Cellulosemembran, die mit Lithiumchlorid-Salzen versetzt ist. Sobald diese Membran Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt, lösen sich die Salze und bilden einen Elektrolyten, der den Stromfluss ermöglicht. Amay Bandodkar, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der NC State und Mitautor der Studie, beschreibt das Prinzip so: Die Batterie laufe im Grunde auf Salzwasser und verzichte dadurch auf toxische, brennbare Elektrolyte. Weil sie erst bei Kontakt mit Umgebungsluft aktiv wird, lässt sie sich in versiegelter Verpackung lange lagern, ohne an Leistung zu verlieren. Tests zeigten zudem, dass die Batterie selbst in trockenen Umgebungen wie der Wüste funktioniert.

Schuppenpanzer als Vorbild

Viele dehnbare Batterien setzen auf schlangenförmige elektrische Verbindungen, die beim Dehnen Lücken erzeugen und dadurch Energiedichte kosten. Die NC-State- und Rice-Forscher:innen orientierten sich stattdessen am Schuppenkleid des Schuppentiers: Die MAB besteht aus dicht überlappenden, schuppenartigen Segmenten, die beim Biegen, Verdrehen und Dehnen kaum Zwischenräume entstehen lassen. Raudel Avila, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Rice University, erklärt, dass Mechanik dabei eine zentrale Rolle spiele: Die bioinspirierte Stapelung und dehnbare Verbindungsstücke verteilten die Verformung über die gesamte Batterie und erhielten so die Leistung auch unter Belastung. Im Test betrieb die Batterie einen kabellosen Bluetooth-Pulsoximeter bis zu dreißig Stunden lang, vergleichbar mit handelsüblichen Batterien für ähnliche Geräte.

Ein Kill-Switch gegen Spionagegeräte

Neben der Stromversorgung integrierten die Forscher:innen einen feuchtigkeitsgesteuerten Selbstzerstörungsmechanismus. In einem abgeschlossenen Hohlraum lagert eine trockene Mischung aus Aluminium- und Iodpulver. Wird das Gehäuse geöffnet oder beschädigt, etwa beim Versuch, ein Überwachungsgerät zu entfernen, gelangt die von der Membran gesammelte Feuchtigkeit an das Pulver. Die daraufhin einsetzende chemische Reaktion erzeugt genug Hitze, um das Gerät in Flammen aufgehen zu lassen. Als Machbarkeitsnachweis bauten die Forscher:innen den Mechanismus in einen drahtlosen Gassensor ein: Das komplette Gerät samt eingebetteter CMOS-Elektronik war innerhalb von drei Minuten vollständig zerstört.

Abraham Vázquez-Guardado, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der NC State, betont, dass die Batterie weit über einen akademischen Prototyp hinausgehe und als praktische Energiequelle für alltägliche IoT- und Medizingeräte tauge. Da das Material zudem leicht, biokompatibel und biologisch abbaubar ist, sehen die Forscher:innen darin eine mögliche Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien für flexible Elektronik und Einweg-Medizinprodukte. Erstautor Rajaram Kaveti, Postdoktorand an der NC State, verweist zusätzlich auf das geringe Gewicht der Batterie im Vergleich zu handelsüblichen Modellen. Die Studie erschien in Science Advances.

via North Carolina State University