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Energiespeicher Wie Forscher die Batterie neu erfinden

Transparent wie eine Folie, auf Papier gedruckt oder in Textilien gewebt: Forscher sind dabei, die Batterie neu zu erfinden. Das wird die Vernetzung des Alltags beschleunigen – und neue Arten von Handys, Tablets und Sensoren ermöglichen.

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Dünn wie Folie, biegsam und flexibel im Design - Die Batterie erlebt gerade ihre Neugeburt, und die damit verbundenen Möglichkeiten erscheinen schier grenzenlos. Quelle: Imprint Energy

Die meisten Menschen haben beim Gedanken an Batterien schwere Klötze vor Augen, die Taschenlampen zu Hanteln machen und die mit ihrer Säure Schubladen anfressen, wenn man sie zu lange darin liegen gelassen hat.

Für Yuan Yang sind Batterien vor allem eins: durchsichtig. Dem Nachwuchsforscher der US-Eliteuniversität Stanford in Kalifornien ist es gelungen, einen transparenten Akku herzustellen – aus einem farblosen Gel und Elektroden, deren Leiterbahnen so dünn sind, dass das menschliche Auge sie nicht mehr sehen kann.

Der fingernagelgroße Prototyp in Yangs Labor speichert zwar 30 Mal weniger Energie als ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku. In den nächsten Jahren aber will der Forscher die Leistung um das Zehnfache verbessern. Dann könnten Hersteller von dünnen Tablet-Computern die Batterie wie eine Folie auf ihre Geräte kleben und noch flachere, ja sogar durchsichtige Tablets und Smartphones in die Läden bringen.

Die Revolution der Batterie

Yangs Folien-Batterie ist nur ein besonders spektakulärer Vorbote für einen technologischen Umbruch. Weltweit sind Forscher an Universitäten und in Unternehmen dabei, die Batterie neu zu erfinden. Sie haben dabei radikal umgedacht: Allerweltsmaterialien wie Plastik, Papier oder Textilien sollen selbst zu Stromspeichern werden. Statt in Akkus lassen sich die Energiereserven damit in Bauteilen unterbringen – in den Gehäusen von Smartphones, den Karosserien von Elektroautos oder der Versiegelung dünner Solarmodule auf dem Dach.

Handys, deren größtes Bauteil der Akku ist, würden fast so flach wie Kreditkarten.

Zugleich ermöglicht die Technologie völlig neue elektronische Produkte: T-Shirts mit Batterie- und Sensorfasern, die den Puls von Sportlern messen; Tiefkühlkost-Verpackungen, die anzeigen, ob die Ware während des Transports angetaut ist; oder hauchdünne elektronische Folien, auf die sich Nutzer morgens die Zeitung laden.

Wie auch immer sie aussehen werden: Die Nachfrage nach Stromspeichern in allen Formen und Größen wird in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Auf 55,4 Milliarden Dollar wird der Weltmarkt für Batterien bis zum Jahr 2017 wachsen, prognostiziert das US-Marktforschungsunternehmen Global Industry Analysts. Denn immer mehr Dinge des Alltags sind mit dem Internet verbunden – und brauchen jederzeit Strom: vom Heizungsventil, das sich per Smartphone steuern lässt, bis zur Pillenschachtel, die bei Entnahme einer Tablette via Mobilfunk den Arzt informiert.

Batterien, das ist abzusehen, steht der mit Abstand größte Innovationsschub bevor seit ihrer Erfindung durch Alessandro Volta vor mehr als 200 Jahren.

Batterien aus dem Drucker

So käme heute wohl kaum jemand auf die Idee, seinen Akku mit einer Schere zu zerteilen. Doch mit neuen Stromspeichern, die das US-Startup Imprint Energy 2014 auf den Markt bringen will, wird genau das möglich. Die neuen Akkus sind dünn wie Plastikfolien, lassen sich rollen und auch in beliebig große Teile zerschneiden. Das ermöglicht Herstellern, die Stromspeicher wesentlich flexibler einzusetzen. „Unsere Batterie passt sich nahezu jedem Design an“, sagt Mitgründer Brooks Kincaid.

Vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Das Startup Enfucell kann durch ein spezielles Verfahren Energiespeicher auf Plastikfolien drucken - Ganz ohne giftige Substanzen. Quelle: Pressebild

Pulsmesser etwa, heute noch per Knopfzelle versorgt, würden mit dem Folien-Akku viel dünner, sagt Kincaid. Erheblich schlanker und leichter ließen sich zudem elektronische Lesegeräte herstellen: Samsung etwa hat im März ein Patent für ein Gerät in Form einer antiken Papyrus-Rolle eingereicht, aus dem sich der Bildschirm wie eine Jalousie herausziehen lässt. Die gesamte Rückseite solcher Roll-Displays, hofft Kincaid, wird bald eine Batterie sein.

Das alles wird möglich, weil Startups wie Imprint Energy oder Enfucell aus Finnland Wege gefunden haben, Batterien zu drucken. Sie rüsten herkömmliche Siebdruckmaschinen um, die bislang dafür benutzt wurden, T-Shirts zu beschriften. Auf einer Plastikfolie trägt der Drucker dann Schicht für Schicht Anode, Elektrolyt und Kathode auf – jene drei Bestandteile einer Batterie, die nötig sind, um elektrische Ladung darin zu speichern und zu transportieren.

Weil als Elektrolyte keine aggressiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, sondern ungiftige Substanzen, brauchen die Folien keine schwere Schutzverpackung. Die macht einen Großteil des Volumens heutiger Akkus aus. Folienbatterien können darum auf gleichem Raum mehr Energie speichern als bisherige AA-Mignon-Zellen.

Das US-Marktforschungsunternehmen Nanomarkets erwartet, dass der Weltmarkt für gedruckte Batterien – bislang noch ein Nischenmarkt – schon im Jahr 2015 mehr als eine Milliarde Dollar umfasst.

Ihre Fähigkeit, die kleinsten Lücken zu füllen, macht die neuen Akkus besonders für den Einsatz in mobilen Internet-Geräten interessant. So will Shreefal Mehta, Chef des US-Startups Paper Battery, das Gehäuseinnere von Laptops mit Strom speichernden Folien versehen und den Computern damit eine spürbar längere Laufzeit verschaffen. „Smartphones könnten mit Folienspeichern bei gleicher Laufzeit 20 Prozent dünner werden“, ergänzt Mehta.

Intelligentes Papier und singende Poster

Vor allem aber sollen Druckmaschinen bald komplette elektronische Geräte herstellen können, mit Batterie, Leiterbahnen, Speicher, Rechenchip und Schaltknöpfen. Der finnisch-schwedische Papierhersteller Stora Enso etwa verwandelt in Druckern gewöhnliches Papier in elektronische Umfragebögen. Betätigt ein Befragter einen der aufgedruckten Schaltknöpfe, speichert ein im Papier integrierter Chip den Eintrag. Der Umfrageleiter überträgt die Daten von dem Papier auf einen Computer – heute über einen elektrischen Kontakt, in wenigen Jahren, so die Vision, auch per Funkverbindung.

Das britische Startup Novalia stellte kürzlich Poster mit aufgedruckten Lautsprechern vor. Drückt sein Besitzer auf eine markierte Stelle, spielt das Papier Musik ab. Rockbands könnten so neue Alben bewerben. Risto Huvila, operativer Chef des finnischen Batterie-Startups Enfucell, will solche Effekte auch in Magazinanzeigen ermöglichen. Leser könnten etwa die Frontlichter einer Limousine aufblitzen lassen.

Bislang kosten die Flunder-Batterien noch etwa einen Euro, in naher Zukunft aber nur noch zehn Cent, sagt Huvila. Damit wird dann eine neue Generation von Wegwerf-Sensoren entstehen, mit denen Logistiker beispielsweise globale Lieferketten präziser überwachen können als heute.

Die Möglichkeiten sind grenzenlos

Der US-Verpackungshersteller Sealed Air Corporation etwa betreibt mit gedruckten Batterien des US-Startups Blue Spark Technologies Temperaturfühler mit eingebauten Funkchips. Sie überwachen gekühlte Lebensmittel oder Medikamente während des Transports. Am Ziel lesen Lagermitarbeiter die gespeicherten Sensordaten mit einem drahtlosen Lesegerät aus.

Die Einsatzfelder gedruckter Batterien scheinen grenzenlos zu sein. Ausgestattet mit Beschleunigungssensoren, sollen die Sensor-Sticker künftig auch schwerere Stöße registrieren und zusammen mit der Uhrzeit speichern. Händler von teurer oder fragiler Fracht können dann feststellen, wer ein Paket fallen ließ.

Einsatzmöglichkeiten in der Pharmaindustrie

Was man drucken kann
Magische Lampe Quelle: Presse
Fliessende Formen
Kistenproduktion Quelle: Presse
Spielmobil Quelle: Presse
Opulenter Auftritt
Lesehilfe Quelle: Presse
Flotte Flöte Quelle: Presse

Sogar die Pharmaindustrie interessiert sich nun für die gedruckte Elektronik. Enfucell entwickelt mit Pharmaunternehmen batteriebetriebene High-Tech-Pflaster. Sie sollen Rheuma-Medikamente oder Hautheilmittel mithilfe eines schwachen elektrischen Stroms schnell und tief durch die Haut in den Körper transportieren. Diese sogenannte Iontophorese-Behandlung findet bisher meist in Arztpraxen an kabelgebundenen Geräten statt. Schon ab Ende des Jahres, heißt es bei Enfucell, werden Strompflaster den Arztbesuch ersetzen.

Forscher von der Universität von Illinois in Urbana arbeiten sogar an hauchdünnen elektronischen Pflastern, die Hirnströme, Blutdruck und Pulsfrequenzen registrieren und die Daten per Funk übermitteln.

Häuserwände als Energiespeicher

Strom speichernde Plastikfolien sind aber nur der Anfang. Wissenschaftler haben einen regelrechten Ehrgeiz darin entwickelt, Strom in Materialien aller Art unterzubringen. Wissenschaftler der University von Buffalo im US-Bundeststaat New York etwa haben im Labor Beton mit Kohlenstoff und Zink vermengt. Der getrocknete Block speicherte daraufhin einige Mikrowattstunden Strom pro Kilogramm. Herkömmliche Batterien nehmen zwar erheblich mehr Energie auf, dafür wird Beton in Häusern tonnenweise verbaut. Mauern wären daher ein interessanter Speicherplatz für selbst produzierten Sonnenstrom.

Forscher der Polytechnischen Schule von Montreal in Kanada wollen gar Textilien unter Strom setzen – und daraus Defibrillatoren zum Überstreifen schneidern. Sie jagen mehrere Hundert Volt in spezielle Strom speichernde Fasern, die sich laut Meinung der Wissenschaftler auch zu Textilien verweben lassen. Steht in Zukunft ein Herz still, verabreicht das hautenge Hemd Elektroschocks. Die Gefahr spontaner Entladungen macht den Forschern weniger Sorgen als ein anderes Problem: Das Textil lässt sich bisher nicht waschen.

High-Tech-Hemden sollen nicht nur in Notfällen Leben retten, sondern auch kontinuierlich die Körper von Sportlern und Menschen mit Herzkrankheiten überwachen. Spionagefäden im Shirt, mit einer leitfähigen Substanz beschichtet, erkennen an ihrem veränderten elektrischen Widerstand jede Dehnung oder Wärmeschwankung. Computer berechnen daraus, wie schnell das Herz schlägt, wie warm der Körper und wie feucht die Haut ist.

Energie aus neuen Quellen
US-Rapper 50 Cent Quelle: dapd
Ergiebiges Schütteln Quelle: Pressebild
Spiel mit Hintersinn Quelle: Screenshot
Straßen-Kraftwerk: Quelle: Screenshot
Baum-Power Quelle: Screenshot
Ewige Tauchfahrt: Quelle: Pressebild
Wind-Tanke Quelle: Screenshot

Yi Cui, Materialforscher an der kalifornischen Stanford-Universität, glaubt, dass Kleidungsstücke sich sogar als Reserve-Akkus für Smartphones eignen. Er tränkt gewöhnliche Baumwollstoffe mit speziellen Farbstoffen. Dadurch nimmt das Gewebe wie ein Akku Strom auf – und liegt trotzdem noch weich und sanft auf der Haut. „Die Menschen werden ihre T-Shirts an der Steckdose aufladen“, sagt Cui, „und unterwegs ihr Handy auftanken.“ Das ginge über einen USB-Anschluss am Saum.

Da Batterien keine elektrischen Felder erzeugen, könne keine Gesundheitsgefahr von den Speicher-Shirts ausgehen, sagt Achim Enders, Leiter des Instituts für Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität Braunschweig. Allerdings müsse die Wirkung der Chemikalien auf die Haut im Einzelfall geprüft werden.

Stromschub aus der Karosse

Geladenes Garn beflügelt auch die Fantasie von Modeschöpfern und Innendesignern. Denn mithilfe von Licht leitenden Fasern verwandeln sich Stoffe in flächige Lampen. Daraus haben etwa die Montrealer Wissenschaftler schon leuchtende Blusen, Handtaschen und Vorhänge geschneidert. Blinkende Sicherheitswesten für Baustellenarbeiter oder Polizisten könnten folgen. Aber ebenso könnten die Wattstunden aus der Wolle auch Heizfäden mit Energie versorgen, die heute schon Skisocken oder Motorradhandschuhe wärmen.

Autoindustrie setzt auf stromspeicherndes Karbon

Grüner High-Tech für Stadt und Land
Schlafkapsel von Leap-Factory Quelle: PR
Prototyp eines wärmespeichernden Grills Quelle: PR
Mini-Windkraftwerk von MRT Wind Quelle: PR
Leuchtendes Kindle-Cover Quelle: PR
Selbstversorgende Insel in der Südsee Quelle: PR
Tomaten in einem Gewächshaus Quelle: dpa
Ein Schild mit der Aufschrift "Genfood" steckt in einer aufgeschnittenen Tomate neben einem Maiskolben Quelle: dpa/dpaweb

Ein ganz anderes Garn setzen Forscher aus Großbritannien und Schweden unter Spannung: die Kohlefaser. Ziel des Projekts, an dem auch der Autohersteller Volvo beteiligt ist: Ganze Bauteile aus Kohlefaserverbundmaterial, umgangssprachlich Karbon genannt, sollen zu Stromspeichern werden. Fahrzeughersteller könnten damit die Reichweite von Elektroautos erhöhen, weil sie fast ohne Zusatzgewicht einen weiteren Akku an Bord haben.

Ein Ansatz der Forscher ist, Karbonbauteile zu Superkondensatoren zu machen. Diese speichern Strom nicht wie eine Batterie durch eine langsame chemische Reaktion. Stattdessen bauen sie blitzschnell ein elektrisches Feld auf – ideal, um Bremsenergie rasch aufzunehmen und beim Beschleunigen wieder abzugeben. Je größer die Oberfläche ihrer Elektroden ist, desto mehr Energie bringen sie unter. Darum verpasst ein Team am Imperial College in London den Kohlefasern einen mikroskopisch feinen Pelz und tränkt sie mit flüssigen, leitfähigen Salzen.

Akkus aus Karbon

Der Prototyp speichert ein Viertel Wattstunden pro Kilogramm – 500 Mal weniger als in Lithium-Ionen-Akkus. „In ein bis zwei Jahren wollen wir 20 Wattstunden erreichen“, sagt Co-Forscher Joachim Steinke. Ein Elektroauto wie der Nissan Leaf mit 500 Kilogramm des Superwerkstoffs erhielte zehn Kilowattstunden Leistung oder 67 Kilometer Reichweite dazu. Zudem würde das Auto leichter und so noch sparsamer.

Einen anderen Weg verfolgen Wissenschaftler am schwedischen Polymerfaserforschungsinstitut Swerea Sicomp. Sie wollen Karbon in eine Batterie verwandeln. Dazu bauen sie einen speziellen Kunststoff in den Kohlefaserverbund ein. Die Karbon-Batterie erreicht eine Energiedichte von etwa zehn Wattstunden pro Kilogramm. In den nächsten Jahren wollen die Forscher den Wert verzehnfachen und sich damit der Leistung von Handyakkus annähern.

In Laptops, die immer leistungsstärker und darum auch stromhungriger werden, könnten dann Karbongehäuse die bisherigen Akkus womöglich komplett ersetzen.

Kleinkraftwerk im menschlichen Körper

Mediziner versuchen unterdessen ein ganz anderes Energieproblem zu lösen: Im Innern des menschlichen Körpers setzen sie vermehrt Geräte ein, die Strom brauchen – Sonden beispielsweise, die in Arterien den Blutdruck messen, oder Herzschrittmacher. Bei Letzteren tauschen Chirurgen etwa alle acht Jahre den Akku aus. Wissenschaftler am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg wollen diese unangenehme Prozedur überflüssig machen. Sie beschichten die Außenhaut des Schrittmachers mit einer dünnen Oberfläche aus Edelmetallen. Dadurch entsteht eine Brennstoffzelle, die den Blutzucker spaltet und aus der frei werdenden chemischen Energie Strom erzeugt.

Forschung



Solche sogenannten Biobatterien, die Elektrizität aus Zucker, Fetten oder Eiweiß gewinnen, wecken sogar das Interesse von Elektronikherstellern wie Sony. Die Japaner haben ein würfelförmiges Kraftwerk mit rund zwei Zentimeter Seitenlänge entwickelt, das aus Zuckerlösung 50 Milliwatt Strom erzeugt – genug, um einen MP3-Player zu betreiben. Ein anderes Minikraftwerk füttern die Forscher mit Altpapier. Theoretisch könnte ein A4-Blatt so viel Energie wie sechs AA-Batterien liefern.

Dass wir morgen Cola und Papierschnipsel in unser Handy träufeln, ist zwar unwahrscheinlich. Eine Grußkarte mit Sonys Biobatterie spielt aber bereits Musik ab, wenn man Orangensaft auf das Papier spritzt: Unterhaltung, bis der Saft ausgeht.

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