{"id":406869,"date":"2022-09-21T11:00:14","date_gmt":"2022-09-21T09:00:14","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=406869"},"modified":"2022-09-21T11:00:14","modified_gmt":"2022-09-21T09:00:14","slug":"oesterreichische-forscher-entwickeln-erste-dehnbare-und-biologisch-abbaubare-batterie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/oesterreichische-forscher-entwickeln-erste-dehnbare-und-biologisch-abbaubare-batterie\/","title":{"rendered":"\u00d6sterreichische Forscher entwickeln erste dehnbare und biologisch abbaubare Batterie"},"content":{"rendered":"\n
Warum wir \u00fcber dieses Thema schreiben:<\/summary>

Diese dehnbare und biologisch abbaubare Batterie f\u00fcr Wearables und Implantate vereint erstmals Dehnbarkeit der Materialien mit deren biologischer Abbaubarkeit. <\/p><\/div><\/details>\n\n\n\n

Weiche und dehnbare Elektronik und Robotik versprechen neue Anwendungsm\u00f6glichkeiten. So k\u00f6nnte die Gesundheitsversorgung etwa von Wearables oder implantierbarer Elektronik profitieren. Beispiele daf\u00fcr sind Wegwerf-Sensoren zur Messung von Gesundheitsdaten oder intelligente Implantate, die Medikamente im K\u00f6rper freisetzen. Das Forschungsthema ist komplex und besch\u00e4ftigt Wisenschaftler weltweit. Eine der neuesten Errungenschaft ist die erste dehnbare und biologisch abbaubare Batterie<\/strong>. Sie ist nur wenige Zentimeter gro\u00df \u2013 und hat das Potenzial, die intelligenten Gesundheitsprodukte der Zukunft mit Energie zu versorgen. Erfunden haben sie Professor Martin Kaltenbrunner<\/a> und seine Doktoranden von der Johannes Kepler Universit\u00e4t<\/em> (JKU) in Linz<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Wachsende Elektronikm\u00fcllberge<\/h2>\n\n\n\n

Professor Kaltenbrunner leitet an der JKU<\/em> die Gruppe Physik weicher Materie<\/em><\/a> und betreibt Grundlagenforschung im Bereich neuer Materialien f\u00fcr Soft Robotics<\/em> und Elastomere. Eine seiner speziellen Expertisen gilt neuen Energietr\u00e4gern. Sein Vorg\u00e4nger, Siegfried Bauer, stellte 2010 die weltweit erste dehnbare Batterie vor. Ihm gelang es nun, die erste dehnbare UND biologisch abbaubare Batterie zu entwickeln. \u201eAnwendungen im Medizinbereich<\/strong>, wie etwa Sensoren auf der Haut, werden nur \u00fcber eine kurze Zeitdauer getragen und f\u00fcr Wegwerfprodukte sind umweltvertr\u00e4gliche und biologisch abbaubare Materialien besonders wichtig\u201c, sagt Kaltenbrunner \u2013 und weiter: \u201eMit der Menge an Tools w\u00e4chst unweigerlich auch der Elektronikm\u00fcllberg. Schon im Jahr 2019 entstanden t\u00e4glich 140.000 Tonnen Elektroschrott – und die Menge w\u00e4chst exponentiell. Deshalb m\u00fcssen wir schon jetzt \u00fcberlegen, wie wir Elektronik und auch Robotik nachhaltig machen k\u00f6nnen – und wie wir das auch f\u00fcr neue Forschungsfelder, wie weiche Formen von Elektronik und Robotik, machen k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Mit der Menge an Tools w\u00e4chst unweigerlich auch der Elektronikm\u00fcllberg. Schon im Jahr 2019 entstanden t\u00e4glich 140.000 Tonnen Elektroschrott – und die Menge w\u00e4chst exponentiell. Deshalb m\u00fcssen wir schon jetzt \u00fcberlegen, wie wir Elektronik und auch Robotik nachhaltig machen k\u00f6nnen – und wie wir das auch f\u00fcr neue Forschungsfelder, wie weiche Formen von Elektronik und Robotik, machen k\u00f6nnen.” <\/p>Professor Martin Kaltenbrunner, JKU Linz <\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n

Die dehnbare UND biologisch abbaubare Batterie<\/h2>\n\n\n\n

Die Forschung hat bereits Ans\u00e4tze f\u00fcr dehnbare Batterien und f\u00fcr biologisch abbaubare Batterien. Eine Verbindung dieser entscheidenden Eigenschaften stand bisweilen aber noch aus. Denn es sind es gleich mehrere Aspekte, die herk\u00f6mmliche Batterien von einer nachhaltigen flexiblen Elektronik trennen: Sie sind starr, beinhalten meist giftige Metalle und lassen sich noch nicht ohne weiteres recyceln. Das sei der Ausgangspunkt f\u00fcr das Projekt gewesen, erkl\u00e4rt Kaltenbrunner. <\/p>\n\n\n\n

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Batterien bestehen in der Regel aus einem Skelett und aktiven Materialien. Unter Skelett<\/em> versteht man das Geh\u00e4use und einen Separator. Der Separator ist eine Schicht, welche die zwei Elektroden (Anode und Kathode) voneinander trennt. Zwischen Anode und Kathode werden die Ionen ausgetauscht und der Ionenfluss wird durch den Elektrolyt erm\u00f6glicht, der zum Beispiel aus Kalilauge (Kaliumhydroxid (KOH)) bestehen kann. Der zwischen Anode und Kathode liegende Separator verhindert, dass es zu einem Kurzschluss kommt. <\/p>\n\n\n\n

Eine Frage der Materialien<\/h2>\n\n\n\n

Bei gew\u00f6hnlichen Batterien ist das Geh\u00e4use aus Stahl und die Elektroden aus Manganoxid und Zink. Der Separator besteht aus einem papier\u00e4hnlichen Gewebe und der Elektrolyt aus Kalilauge (Kaliumhydroxid (KOH)). Alle diese Materialien sind nicht sonderlich dehnbar und nicht biologisch kompatibel \u2013 vor allem nicht die konzentrierte Kalilauge. Deshalb mussten die Forschenden jedes einzelne Teil f\u00fcr ihre dehnbare und biologisch abbaubare Batterie erst identifizieren und\/oder kreieren. <\/p>\n\n\n\n

Die Materialien mussten eine Batterie ergeben, also die elektrochemischen Voraussetzungen haben \u2013 und zugleich gesundheitlich unbedenklich, biologisch abbaubar und mechanisch dehnbar sind. Die Auswahl an Materialien, die all diese Voraussetzungen erf\u00fcllen, ist nicht sehr gro\u00df, betont Kaltenbrunner. <\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr das Geh\u00e4use synthetisierten die Forschenden ein Elastomer – Polyglycerinsebacat<\/em> (PGS) \u2013 das dehnbar und biologisch abbaubar ist. Es gibt Enzyme \u2013 unter anderem im Kompost – die das Material sogar als Nahrung brauchen. F\u00fcr die aktiven Materialien \u2013 die Anode und die Kathode – wurde eine Folie aus Magnesium<\/em> und Molybd\u00e4noxid<\/em> verwendet. Beide Stoffe sind unbedenklich und kommen im K\u00f6rper auch als Spurenelemente vor. Elektrolyt und Separator wurden durch ein biologisch abbaubares Gel aus Kalziumalginat ersetzt. Da es ein Hydrogel ist und gel\u00f6stes Salz (Kalziumchlorid) enth\u00e4lt, kann es sowohl die mechanische Trennung von Anode und Kathode herstellen, als auch die Ionen leiten.<\/p>\n\n\n\n

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\"Dehnbare
Die Kirigami Elektroden, welche die dehnbare und biologisch abbaubare Batterie erm\u00f6glichen (c) Whiley <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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Geometrisch und mechanisch dehnbar<\/h2>\n\n\n\n

Besonders herausfordernd war es, ein Material f\u00fcr die Anode zu finden. Da diese aus Metall sein muss \u2013 und Metall in der Regel nicht flexibel ist. Auch bei der verwendeten Magnesiumfolie<\/em> war man mit dem Problem der mangelnden Dehnbarkeit konfrontiert. Um diese zu umgehen, wandte das Team Kirigami<\/em> an, eine genau definierte japanische Schnitttechnik, die starre Materialien – wie Papier oder eben Metallfolie – geometrisch und mechanisch dehnbar macht. Trotzdem bleibe die Dehnbarkeit der Magnesiumfolie jedoch begrenzt, erkl\u00e4rt Kaltenbrunner. Denn auch im gedehnten Zustand muss noch m\u00f6glichst viel Elektrodenfl\u00e4che nutzbar sein. Nur so k\u00f6nnen die Folien die Elektronen leiten und dadurch Strom bereitstellen, so der Forscher.<\/p>\n\n\n\n

Die dehnbare und biologisch abbaubare Batterie, die Kaltenbrunner und sein Team auf diese Art entwickelt haben, hat eine Energiedichte von 1,72 Milliwatt-Stunden pro Quadratzentimeter. Das ist nicht viel, im Vergleich mit einer Lithium Polymer Batterie<\/em>, welche die 60-fache Leistung erbringt. Aber diese Energiedichte reicht bereits, um einen Sensor \u00fcber mehrere Stunden mit Energie zu versorgen. So k\u00f6nnten etwa Sportler ihren Trainingsverlauf mithilfe dieser Batterie analysieren. Ein Sensor k\u00f6nnte den Natriumgehalt auf der Haut messen und die Daten auf ein Smartphone \u00fcbertragen. <\/p>\n\n\n\n

Wasserl\u00f6slich und im K\u00f6rper abbaubar<\/h2>\n\n\n\n

Nach Verwendung l\u00e4sst sich der gesamte Energiespeicher einfach kompostieren. Die Materialien sind wasserl\u00f6slich und zersetzen sich, sobald sie mit Wasser in Ber\u00fchrung kommen. Im Test wurde die Batterie einer Wassertemperatur von 37 Grad Celsius ausgesetzt und hatte sich nach elf Wochen zu mehr als 70 Prozent zersetzt. Wichtig im Hinblick auf zuk\u00fcnftige Anwendungen im Gesundheitsbereich ist, dass die Batterie v\u00f6llig unbedenklich ist. Im Prinzip k\u00f6nnte sie sogar verschluckt – und im Magen komplett abgebaut werden.  <\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr Kaltenbrunner und seine Doktoranden ist das Forschungsziel erreicht. Alle Materialien sind dehnbar, umweltvertr\u00e4glich und biologisch abbaubar. Aber sie wollen weiterforschen, um eine h\u00f6here Energiedichte zu erreichen: \u201eDas sind tolle Materialien, aber vielleicht sind es noch nicht die bestm\u00f6glichen Materialien und vielleicht ist es auch noch nicht das bestm\u00f6gliche Design\u201c, sagt Kaltenbrunner. <\/p>\n\n\n\n

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