Wearables Dehnbare „Kirigami“-Batterien für flexiblere Wearables entwickelt

Von Sebastian Gerstl

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Eine traditionelle japanische Falttechnik soll modernster Wearable-Elektronik zum Durchbruch verhelfen. Forscher arbeiten mit einer Methodik namens Kirigami an Batterien, die sich problemlos drehen und dehnen lassen und problemlos in Stoffe eingearbeitet werden können.

Falt- und Schnitt-Technik: Mit einer Kirigami genannten Methode wollen Forscher kleine Batterien entwickeln, die sich problemlos auf 150% ihrer Länge dehnen lassen. Damit könnten diese leicht in Armbänder oder andere Materialien für Wearables integriert werden.
Falt- und Schnitt-Technik: Mit einer Kirigami genannten Methode wollen Forscher kleine Batterien entwickeln, die sich problemlos auf 150% ihrer Länge dehnen lassen. Damit könnten diese leicht in Armbänder oder andere Materialien für Wearables integriert werden.
(Bild: ASU Engineering/Vimeo)

Fitness-Armbänder und Smartwatches kommen gerade in Mode. „Smart Clothes“, Kleidung mit eingebauter, tragbarer Elektronik, sind auch nicht mehr fern. Allerdings sind die sogenannten Wearables derzeit noch nicht für überzeugende Akkulaufzeiten bekannt. Teil des Problems sind die starren Zellenbatterien, die sich nur schwer in die hierfür nötigen biegbaren Designs integrieren lassen. Forscher der Arizona State University (ASU) und der Jinan University in China arbeiten daher an dehnbaren Batterien, die speziell für die tragbare, flexible Computerelektronik geschaffen sein sollen.

Grundlage dieses neuartigen Batterietyps ist eine traditionelle japanische Kunstform namens Kirigami. Bei dieser mit dem bekannteren Origami verwandten Technik werden Flächen mit Einschnitten gefaltet, um ihnen eine gewünschte Form zu verleihen. Um eine Lithion-Ionen-Batterie mit der gewünschten Flexibilität herzustellen, haben die Forscher in ihren Experimenten zunächst eine Hülle aus Aluminium mit leitendem Material behandelt, um die nötigen positiven und negativen Elektroden zu erhalten. Anschließend wurde die Folie nach Kirigami-Vorgaben gezielt gefaltet, gedreht und eingeschnitten. Dadurch entstand eine Art Kette, die sich auf etwa 150% der ursprünglichen Länge dehnen lässt. Die genaue Methodik beschrieb das Team in einem kürzlich im Wissenschaftsmagazin "Scientific Reports" veröffentlichen Paper.

Kirigami-Batterie im Praxistest: Die Batterie ist in einem Armband um den Bizeps befestigt, dieser wird kontinuierlich ge- und entspannt. Trotz der andauernden Dehnung kann der experimentelle Akku kontinuierlich die Test-Smartwatch mit Strom versorgen.
Kirigami-Batterie im Praxistest: Die Batterie ist in einem Armband um den Bizeps befestigt, dieser wird kontinuierlich ge- und entspannt. Trotz der andauernden Dehnung kann der experimentelle Akku kontinuierlich die Test-Smartwatch mit Strom versorgen.
(Bild: ASU Engineering/Vimeo)

Um die Funktion der Batterie zu testen, ersetzten die Forscher den 300 mAh leistenden Akku einer Samsung Gear 2 durch einen mit der Kirigami-Technik hergestellten Prototypen. Die experimentelle Batterie wurde über Kontakte an die Smartwatch angeschlossen und an einem elastischen Armband befestigt. Die Uhr konnte problemlos weiter genutzt werden und beispielsweise Videos abspielen, selbst wenn dabei die Kirigami-Batterie kontinuierlich gedehnt und bewegt wurde. In ihrer Studie gab das Forschungsteam an, das die üblicherweise in der Samsung Gear 2 verwendete 300-mAh-Batterie auch leicht mit einer 600-mAh-Batterie nach Kirigami-Art ersetzt werden könnte.

„Diese Art von Batterie könnte möglicherweise die sperrigen und starren Batterien ersetzen, die derzeit die weitere Entwicklung von Wearables, tragbaren elektronischen Geräten, einschränken,“ sagte Hanqing Jiang, ein Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der ASU und Leiter des Forschungsteams. „Die Kirigami-basierte Methodik kann leicht auf andere Anwendungen erweitert werden, um höchst dehnbare Geräte zu entwickeln und sich damit massiv das Feld der dehnbaren und tragbaren Elektronik auswirken“.

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