Kleidung als Stromspeicher: Wann kommen die Textil-Akkus?

Ganz neu ist die Idee einer textilen Batterie nicht. Ende 2017 hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Fakultät der Binghamton University der State University of New York eine vollständig textilbasierte, bakteriengetriebene Biobatterie entwickelt, die auch Strom liefert, wenn sie gestreckt oder verdrillt wird.

Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien basiert die Stromerzeugung auf dem Prinzip einer Brennstoffzelle, die mikrobielle Zellen als Biokatalysator nutzt, um stabile enzymatische Reaktionen auszulösen.

Vom menschlichen Körper erzeugter Schweiß kann ein potenzieller Brennstoff sein, um die Lebensfähigkeit der Bakterien zu unterstützen und den langfristigen Betrieb der mikrobiellen Brennstoffzelle zu gewährleisten, so Professor Seokheun Choi, Assistent für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Binghamton University.

"Wenn wir bedenken, dass Menschen mehr Bakterienzellen als menschliche Zellen in ihrem Körper besitzen, ist die direkte Verwendung von Bakterienzellen als Energieressource in Abhängigkeit vom menschlichen Körper für tragbare Elektronik denkbar", sagte Choi.

Anfang 2018 hat ein Forscherteam unter Leitung der City University of Hong Kong ein Strickgarn vorgestellt, das für das Herstellen von Kleidung wie Pullovern und Schals geeignet ist und zugleich als Energiespeicher für Strom dient. Der wiederaufladbare Stoff ist dabei sowohl wasserfest als auch elastisch und geschmeidig. Selbst in Stücke geschnitten funktioniert die Garnbatterie noch ohne Einschränkungen.

Die chinesischen Wissenschaftler um Forschungsleiter Chunyi Zhi nahmen sich dabei der Problematik an, dass mit Alkali-Mangan-Zellen verbundener Fibergarn sich zu schnell entlädt und nicht wiederaufladbar ist.

Also entwickelte das Team eine Zink-Ionen-Batterie, die neben den Eigenschaften von Wasserfestigkeit und Flexibilität auch die volle Stromkapazität längerfristig beibehält. Die Gruppe verdrehte Kohlenstoff-Nanoröhren-Fasern zu einem Garn und beschichtete dann ein Stück des Garns mit Zink, um eine Anode zu bilden. Ein anderes Stück wurde mit Magnesiumoxid beschichtet, um eine Kathode zu bilden; beide Stücke wurden in der Folge zu einer Doppelhelix geformt und mit Polyacrylamid-Elektrolyten beschichtet in Silikon eingeschlossen.

In Labortests des neu geschaffenen Garns erfüllte dieser die Anforderungen in vollem Ausmaß: Das Material konnte verarbeitet werden, die Batterieleistung war stabil und durch die Silikonbeschichtung war es wasserfest. Ebenso stellte es sich als dehnbar heraus und auseinandergeschnitten war jedes Teil des Garns noch in der Lage, eine Smartwatch mit Strom zu versorgen.

Ein Forschungsteam der Arizona State University hat bereits 2015 eine Origami-Variante namens Kirigami als Entwurfsvorlage für Batterien verwendet, die auf mehr als 150 Prozent ihrer ursprünglichen Größe gedehnt werden können und dennoch die volle Funktionalität beibehalten.

Ein in der Forschungszeitschrift Scientific Reports veröffentlichter Artikel beschreibt, wie das Team Lithium-Ionen-Batterien auf Kirigami-Basis unter Verwendung einer Kombination aus Falten und Schnitten entwickelte, um Muster zu erstellen, die eine signifikante Steigerung der Dehnbarkeit ermöglichen.

Die Prototyp-Batterie auf Kirigami-Basis wurde in ein elastisches Armband eingenäht, das an einer Smartwatch befestigt war. Der Akku versorgte die Uhr und ihre Funktionen - einschließlich der Wiedergabe von Videos - vollständig mit Strom, während das Band gedehnt wurde.

Laut den ASU-Forschern könnte ihr Batterietyp verwendet werden, um die sperrigen und starren Batterien zu ersetzen, die die Entwicklung kompakter tragbarer elektronischer Geräte einschränken. Solche dehnbaren Batterien seien auch in Stoffe integrierbar, um Kleidung als Textil-Batterie zu verwenden.

Auch in Deutschland forscht man an textilen Akkus. Jüngst hat Sandra Gellner im Rahmen ihrer Promotion an der Hochschule Niederrhein eine textilbasierte, ein Millimeter hohe Batterie entwickelt, welche aus umweltfreundlichen Materialien inklusive eines biologisch abbaubaren Gel-Elektrolyten besteht.

Durch die textile Architektur ist die Batterie flexibel und kann um 180 Grad in beiden Richtungen gebogen werden, ohne einen Kurzschluss zu erzeugen. Die Wahl der Werkstoffe ermöglicht zudem einen Betrieb ohne zusätzliche Verkapselung.

Mit der Entwicklung einer Batterie aus umweltfreundlichen Textilien hat Sandra Gellner, Doktorandin der Hochschule Niederrhein, eine Auszeichnung auf einer internationalen Konferenz erhalten. Die Doktorandin arbeitet im Bereich Smart Electronic Textiles an der Schnittstelle der Fachbereiche Elektrotechnik und Informatik sowie Textil- und Bekleidungstechnik.