Der dehnbare Lithium-Ionen-Akku 2024 erschließt neue Technologiefelder

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Der dehnbare Lithium-Ionen-Akku 2024 erschließt neue Technologiefelder

Der dehnbare Lithium-Ionen-Akku stellt eine bedeutende Innovation im Bereich der Wearable-Technologie dar. Diese Batterien sind auf Flexibilität und Langlebigkeit ausgelegt und eignen sich daher ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, von Smartwatches bis hin zu medizinischen Geräten. Da die Nachfrage nach dehnbarer Elektronik weiter wächst, werden diese fortschrittlichen Batterien in der Zukunft sowohl der Unterhaltungselektronik als auch der Gesundheitstechnologien eine entscheidende Rolle spielen.

Dehnbarer Lithium-Ionen-Akku: Eine neue Ära in der tragbaren Technologie

Marktübersicht

Im Jahr 2022 wird der globale Markt für DehnbareLithium-Ionen-Batterienhatte einen Wert von 175,7 Millionen US-Dollar. Es wird erwartet, dass dieser Markt im Prognosezeitraum schnell um 23,0 % wächst. Die steigende Nachfrage nach dehnbaren Batterien in tragbaren Geräten wie Smartwatches und Telefonen ist ein wesentlicher Faktor für dieses Wachstum. Diese Batterien sind von entscheidender Bedeutung für die Stromversorgung adaptiver Geräte, die Flexibilität erfordern, z. B. biegsam, verdrehbar und ultradünn, um mechanischer Verformung während des Gebrauchs standzuhalten.

Anwendungen und Vorteile

Dehnbare Elektronik, einschließlich dieser fortschrittlichen Batterien, spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Funktionalität und des Benutzererlebnisses tragbarer Technologie. Ihr leichtes und kompaktes Design macht sie ideal für tragbare Geräte, da sie in den verfügbaren Raum passen und das Gewicht und die Größe der Produkte reduzieren. Diese Batterien sind speziell darauf ausgelegt, Biegungen, Dehnungen und anderen mechanischen Kräften standzuhalten, was sie im Vergleich zu herkömmlichen starren Batterien langlebiger macht. Diese verbesserte Haltbarkeit ist besonders vorteilhaft für Wearables, die regelmäßigen Bewegungen und Biegungen ausgesetzt sind.

Technologische Fortschritte

Es wird erwartet, dass die jüngsten Fortschritte in der Technologie dehnbarer Lithium-Ionen-Batterien das Marktwachstum vorantreiben werden. Die steigende Nachfrage nach fortschrittlichen Wearables, implantierbaren elektronischen Geräten wie Herzschrittmachern und weichen tragbaren Geräten für den Einsatz in städtischen Umgebungen hat das Interesse an der Entwicklung von Batterien mit ähnlichen Eigenschaften wie menschliche Haut und Organe geweckt. Beispielsweise entwickelte ein koreanisches Forschungsteam im März 2022 eine weiche, mechanisch verformbare und dehnbare Lithium batterie, die für tragbare Geräte geeignet ist. Sie testeten ihr Potenzial, indem sie die Batterie auf Kleidung druckten. Diese Batterie integriert vorhandene Lithium-Ionen-Materialien und erreicht eine Energiespeicherdichte von etwa 2,8 mWh/cm², vergleichbar mit kommerziell erhältlichen starren Lithium-Ionen-Batterien, die bei 3,3 V oder höher betrieben werden.

Herausforderungen und Überlegungen

Trotz der vielversprechenden Fortschritte gibt es auf dem Markt Herausforderungen. Wiederholtes Verdrehen flexibler Batterien kann zu Rissen in den Elektrodenschichten führen, was zum Abbau aktiver Materialien führt und das Marktwachstum behindert. Dieses Problem entsteht hauptsächlich durch die begrenzte Haftfestigkeit zwischen Elektrodenmaterialien und Stromabnehmern. Darüber hinaus kann ein kontinuierliches Verdrehen den Innenwiderstand innerhalb der Batterie erhöhen und so deren Leistung beeinträchtigen. Es gibt auch Bedenken hinsichtlich des Akkus selbst; Beispielsweise können Aluminium-Kunststofffolien, die in Standard-Lithium batterien verwendet werden, in flexiblen Batterien Falten bilden, was möglicherweise zu Undichtigkeiten führt, wenn die Elektrodenschichten durchstochen werden.

Dehnbare Lithium-Ionen-Batterie: Innovationen und Anwendungen

Die „Jelly Battery“ der Universität Cambridge

Im Vereinigten Königreich haben Forscher der Universität Cambridge eine neuartige dehnbare Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die von Zitteraalen inspiriert wurde. Aufgrund ihres einzigartigen Designs haben sie ihr den Namen „Jelly Battery“ gegeben. Diese Batterie ahmt die Schichtstruktur des Zitteraalgewebes nach, das flexibel und leitfähig ist.

Der Hauptautor Stephen O'Neill erwähnte in einer Pressemitteilung: „Die Entwicklung eines Materials, das sowohl hoch dehnbar als auch hoch leitfähig ist, ist eine Herausforderung, da diese Eigenschaften normalerweise widersprüchlich sind.“ Die Batterie des Cambridge-Teams verwendet Hydrogele, das sind Polymernetzwerke, die über 60 % Wasser enthalten. Diese Strukturen können sich dehnen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, ohne ihre Funktionalität zu verlieren.

Außergewöhnliche Dehnbarkeit und Widerstandsfähigkeit

Die Studie beschrieb die Schaffung eines supramolekularen Polyionennetzwerks mit hoher Dehnbarkeit (>1500 %), Kompressibilität (>90 %) und schneller Selbsterholung. Aufgrund der reversiblen Bindungen, die durch zusammengesetzte Moleküle gebildet werden, weisen die Schichten der Gelee-Batterie eine starke Haftung auf.

In dem Artikel heißt es: „Durch die supramolekulare Vernetzung können sich geschichtete Proben um mehr als das Zehnfache ihrer ursprünglichen Länge verlängern, bevor sie an der Grenzfläche brechen.“ Oren Scherman, Professor und Direktor am Melville Laboratory for Polymer Synthesis, betonte die Anpassbarkeit von Hydrogelen an die mechanischen Eigenschaften menschlichen Gewebes.

Mögliche medizinische Anwendungen

Das Team der Universität Cambridge schlug vor, dass ihre Gelee-Batterie zur Medikamentenabgabe oder zur Behandlung von Erkrankungen wie Epilepsie in das Gehirn implantiert werden könnte. Hydrogele, die keine starren Metallbestandteile enthalten, werden weniger wahrscheinlich vom Körper abgestoßen oder verursachen Narbenbildung. Darüber hinaus weisen Hydrogele eine bemerkenswerte Zähigkeit auf, widerstehen bleibender Verformung unter Druck und reparieren sich bei Beschädigung selbst.

Weitere Implikationen

Die Entwicklung dieser Technologien hat weltweit Priorität. Das Weltwirtschaftsforum listete flexible Batterien als eine der „Top Ten Emerging Technologies of 2023“. Diese Fortschritte werden die Möglichkeiten bei tragbaren Geräten, IoT-Anwendungen, flexiblen Smartphones und Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) erweitern.

Innovationen in der dehnbaren Lithium-Ionen-Batterietechnologie

Hohe Flexibilität und Haltbarkeit

Ein Team der Universität Nanjing in China hat einen dehnbaren Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der nach 70 Ladezyklen hocheffizient bleibt und sich um bis zu 5000 % dehnen lässt. Diese Innovation trägt der wachsenden Nachfrage nach Batterien in dehnbaren Elektronikgeräten Rechnung und gewährleistet sowohl Flexibilität als auch Haltbarkeit. Tragbare Gesundheitsmonitore und andere flexible elektronische Geräte erfordern diese verformbaren Eigenschaften.

Strukturelle Fortschritte

Wenn wir an Batterien denken, denken wir normalerweise nicht, dass sie flexibel sind. Damit dehnbare Elektronik jedoch effektiv funktioniert, müssen sich die Batterien auch biegen und dehnen lassen. Die meisten Versuche, solche Batterien herzustellen, bestanden darin, starre Teile in dehnbare Formen zu falten oder gewebte leitfähige Stoffe zu verwenden. Aber für eine wirklich dehnbare Batterie muss jede Komponente – die Elektroden, die die Ladung sammeln, und die Zwischenelektrolytschicht, die die Ladung ausgleicht – elastisch sein.

Herstellungsprozess

Um die Elektroden für eine vollständig elastische Batterie herzustellen, trug das Team einen dünnen Film aus leitfähiger Paste mit Silbernanodrähten, Ruß und Materialien auf Lithiumbasis auf eine ebene Fläche auf. Dann fügten sie eine Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hinzu, einem flexiblen Material, das häufig in Kontaktlinsen verwendet wird. Darüber hinaus fügten sie Lithiumsalze, eine Flüssigkeit mit hoher Leitfähigkeit und Zutaten hinzu, um ein elastisches Polymer zu bilden. Unter Lichteinwirkung verbinden sich diese Komponenten zu einer robusten Gummischicht, die sich um bis zu 5000 % ihrer ursprünglichen Länge dehnen und Lithiumionen leiten kann. Anschließend wurde die gesamte Baugruppe mit einer weiteren Elektrodenfolie versiegelt und durch eine Außenschicht geschützt.

Leistungsvergleich

Die neue dehnbare Festkörperbatterie übertraf herkömmliche Designs, die flüssige Elektrolyte verwenden, deutlich. Die durchschnittliche Ladekapazität stieg beim Schnellladen um das Sechsfache und die Kapazität blieb über 67 Lade-Entlade-Zyklen stabil. Bei anderen Prototypen mit Festkörperelektroden blieb der Polymerelektrolyt über 1000 Zyklen stabil, wobei in den ersten 30 Zyklen nur ein Kapazitätsabfall von 1 % zu verzeichnen war, verglichen mit einem Rückgang von 16 % bei Flüssigelektrolytbatterien.

Dehnbare Lithium-Ionen-Batterie: Anwendungen und Markteinblicke

Tragbare Elektronik

Der dehnbare Lithium-Ionen-Akku verändert den Markt für tragbare Elektronik bahnbrechend. Diese Batterien können sich synchron mit den von ihnen betriebenen Geräten biegen, drehen und biegen und sorgen so für ein nahtloses und komfortables Benutzererlebnis. Tragbare Geräte wie Smartwatches und Fitness-Tracker profitieren stark von diesen Batterien, da sie sich leicht an die Körperform des Trägers anpassen und so einen bequemen Sitz bei minimalem Zusatzgewicht gewährleisten. Dieses leichte Design ist entscheidend für den Benutzerkomfort, insbesondere bei längerem Gebrauch.

Medizinische Geräte

Im Gesundheitssektor dürfte die dehnbare Lithium-Ionen-Batterie für ein deutliches Wachstum sorgen. Diese Batterien haben das Potenzial, medizinische Geräte zu revolutionieren, indem sie die Entwicklung flexibler und implantierbarer Elektronik ermöglichen. Sie können beispielsweise in intelligente Bandagen und Sensoren integriert werden, um die Wundheilung zu überwachen, Infektionen zu erkennen und wichtige Daten schnell an medizinisches Fachpersonal zu übermitteln. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer Flexibilität ideal für implantierbare Geräte wie Herzschrittmacher und Nervenstimulatoren, da sie Beschwerden reduzieren und das Risiko einer Schädigung des umliegenden Gewebes minimieren.

Regionale Einblicke

Dehnbare Elektronik erfreut sich in verschiedenen Regionen einer raschen Verbreitung. Aufgrund der aktiven Beteiligung wichtiger Akteure in der Region wird erwartet, dass Nordamerika den größten Marktanteil hält. Beispielsweise haben Forscher der University of Houston am 31. Juli 2023 einen vollständig elastischen, gewebebasierten Lithium-Ionen-Batterie-Prototyp entwickelt. Dieser innovative Ansatz wandelt starre Batterieelektroden in flexible, dehnbare um und erweitert so das Potenzial für tragbare Geräte und implantierbare Biosensoren. Durch die Verwendung von leitfähigem Silbergewebe kann sich die Batterie biegen und dehnen, während die elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt.

Im asiatisch-pazifischen Raum wächst die Nachfrage nach dehnbaren Lithium-Ionen-Batterien rasant. Am 31. Oktober 2022 entwickelten Forscher der japanischen Hokkaido-Universität eine elastische Verpackungsfolie mit hoher Gas- und Feuchtigkeitsbarrierefähigkeit, die es flexiblen Batterien ermöglicht, zuverlässig an der Luft zu funktionieren. Dieser Fortschritt unterstreicht das Engagement der Region bei der Entwicklung hochflexibler Batterien für tragbare Geräte.

Auch in Europa wird aufgrund erhöhter Investitionen von Organisationen ein erhebliches Marktwachstum erwartet. Beispielsweise haben Volkswagen und BP am 28. April 2022 eine strategische Allianz geschlossen, um die breite Einführung von Elektrofahrzeugen in ganz Europa zu fördern. Sie stellten ihr erstes Ladegerät in Düsseldorf vor, mit dem Ziel, bis 2024 ein Schnellladenetz aufzubauen. Diese Initiative wird wahrscheinlich die Nachfrage nach fortschrittlichen Batterietechnologien, einschließlich dehnbarer Lithium-Ionen-Batterien, ankurbeln, um den wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge zu unterstützen.

Diese Innovationen und regionalen Entwicklungen deuten auf eine vielversprechende Zukunft für dehnbare Lithium-Ionen-Batterien hin, insbesondere hinsichtlich der Verbesserung der Funktionalität und des Benutzererlebnisses tragbarer Elektronik und medizinischer Geräte.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fortschritte in der dehnbaren Lithium-Ionen-Batterietechnologie verschiedene Branchen revolutionieren werden. Von der Verbesserung der Funktionalität und des Komforts tragbarer Geräte bis hin zur Bereitstellung neuer Lösungen für medizinische Implantate bieten diese Batterien erhebliche Vorteile. Da Forschung und Entwicklung weiter voranschreiten, werden die potenziellen Anwendungen für diese flexiblen und langlebigen Stromquellen immer größer, was weiteres Wachstum und Innovation auf dem Markt für dehnbare Elektronik vorantreibt.