Transparente und flexible Lithium-Ionen-Akkus
Komplett transparente Elektronikgeräte sind wieder einen Schritt näher gerückt: Forscher der Universität Stanford haben einen neue Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der nicht nur durchsichtig sondern auch noch flexibel ist und sich sogar preislich mit auf dem Markt befindlichen Produkten vergleichen lassen soll.
Das größte Problem bei der Entwicklung eines transparenten Akkus war, das wichtige Materialien nicht transparent gemacht beziehungsweise durch transparente Materialien ersetzt werden können. Der Lösungsansatz von Yuan Yang und Professor Yi Cui war es nun, die nicht transparenten Komponenten des Akkus so klein zu machen, dass das menschliche Auge sie nicht sehen kann. Da die maximale Auflösung des Auges zwischen 50 und 100 Mikrometer liegt, bedeutete dies dass die Teile kleiner als 50 Mikrometer sein mussten, um für das Auge eingebettet in einem transparenten Material nicht sichtbar zu sein.
Aus diesen Voraussetzungen resultierte eine gitterartige Grundstruktur der Batterieelektroden mit 35 Mikrometer breiten Gitterlinien, zwischen denen Licht hindurch fällt. Da die Linien so dünn sind, erscheint dem Betrachter die komplette Fläche selbst dann transparent, wenn mehrere Schichten übereinander liegen. Voraussetzung ist allerdings, dass die Linien exakt übereinander angeordnet sind. Beim Test der Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich konnten die Forscher eine Transparenz von 62 Prozent für eine Schicht und rund 60 Prozent für drei übereinander angeordnete Schichten messen.
Zur Herstellung der Batterie entwickelten Yang und Cui einen dreistufigen Prozess, in dem günstige, problemlos verfügbare Substanzen zum Einsatz kommen. Da Kupfer und Aluminium als Material nicht in Frage kamen, entschied man sich für das leicht gummiartige anorganische Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS), das recht günstig ist und auch in der plastischen Chirurgie und für Kontaktlinsen genutzt wird. Da das Polymer nicht leitet, musste jedoch eine Metallschicht auf ihm abgelagert werden. Um gitterartige Furchen zu erhalten, wird PDMS in Gussformen aus Silizium gegossen. Auf diese Furchen wurde anschließend ein Metallfilm gedampft, um eine leitende Schicht zu erhalten. Im nächsten Schritt gossen sie dann eine Suspension mit Nanometer-großen aktiven Elektroden-Materialien.
Da alle in herkömmlichen Batterien als Separator genutzten Materialien nicht transparent sind, musste Yang hierfür eine Alternative finden. Er entschied sich dafür, ein bereits bekanntes Gel-Elektrolyt so zu modifizieren, dass es gleichzeitig als Separator und Elektrolyt fungiert. Wird nun eine Elektrolytschicht exakt zwischen zwei Elektroden platziert, erhält man eine funktionstüchtige Batterie. Um eine größere und leistungsfähigere Batterie zu erhalten, fügt man einfach weitere Schichten hinzu.
Im Hinblick auf die Kosten sehen die Forscher insbesondere beim Einsatz günstiger Metalle keinen Grund, warum die transparenten Batterien sich nicht günstig herstellen lassen sollten. Der Produktionsprozess sei definitiv skalierbar und durch Fortschritte der Materialwissenschaft erhofft man sich noch höhere Energiedichten. Bislang sind die transparenten und flexiblen Lithium-Ionen-Akkus nämlich nur etwa halb so leistungsfähig wie vergleichbar große herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien und befinden sich damit auf dem Niveau von Nickel-Cadmium-Batterien.
Ein möglicher Einsatzzweck für die transparenten Batterien schwebt Cui auch schon vor. Er wolle sich mit Steve Jobs über die Batterie unterhalten und hofft auf ein transparentes iPhone. Zumindest transparente Displays gibt es schon jetzt in respektablen Größen, aber auch mit kleineren Abmaßen.