Smartwatch-Batterien im Armband

In der neuen Produktkategorie der intelligenten Uhren ist wenig Platz für die Stromversorgung, was ihre Laufzeit begrenzt. Abhilfe soll jetzt flexible Akkutechnik bringen.

Smartwatches könnten dank dehn- und biegbarer Batterien bald eine längere Laufzeit bekommen. Dabei hilft eine Variante der alten japanischen Falttechnik Origami: Forscher haben jetzt gezeigt, dass sie sich nutzen lässt, um konventionell hergestellte Lithium-Ionen-Batterien so zu biegen und zu dehnen, dass sie in ein Armband eingebaut werden können. Dadurch würde deutlich mehr Platz für die Speicherung von Strom zur Verfügung stehen – für Uhren, aber auch für andere am Arm getragene Elektronik wie zum Beispiel Fitness-Armbänder. Die Methode ist laut ihren Erfindern mit den etablierten Produktionsprozessen für Batterien vereinbar.

Heute befinden sich die Batterien von Smartwatches hinter dem Bildschirm, wo neben der übrigen Elektronik nicht mehr viel Platz bleibt. Die Batterie nimmt einen Großteil dieses Raumes ein, ist aber trotzdem relativ klein. Das ist ein Hindernis für die Entwicklung besserer Modelle, sagt Hanqing Jiang, Professor für Maschinenbau und Luftfahrt an der Arizona State University, der das aktuelle Projekt geleitet hat. Tatsächlich ist die Laufzeit der bisherigen Smartwatches bescheiden: Die von Apple zum Beispiel soll nur ein paar Stunden durchhalten, wenn sie „aktiv“ mit Apps genutzt wird. Mit der neuen Technik könnte sich die Kapazität laut Jiang verdoppeln lassen. Mit ihrer Falt-Batterie versorgten die Forscher um Jiang eine Samsung-Smartwatch mit Strom. Wie sie zeigen konnten, ließ sich ein elastisches Band mit integrierter Batterie darin biegen und dehnen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Im vergangenen Jahrzehnt gab es viele Fortschritte bei der Entwicklung von flexibler Elektronik, die sich ohne Fehlfunktionen an gebogene und veränderliche Oberflächen und Formen wie die des menschlichen Körpers anpassen kann. In den meisten Fällen waren dabei aber elastische Materialien im Spiel, und die verbreiteten Produktionsanlagen für Batterien sind dafür nicht ohne Weiteres geeignet.

Auf die Idee, es mit Origami zu versuchen, kam Jiang, als er eine Parallele erkannte: Ein bestimmtes Faltmuster namens Miura ähnelte einem Muster, das er zuvor bei Silizium im Nanomaßstab gesehen hatte; aufgebracht auf eine elastische Gummioberfläche, konnte dieses Material Falten werfen und sich dehnen. Schon vergangenes Jahr demonstrierten Jiang und Kollegen erstmals Lithium-Ionen-Batterien auf Grundlage der Miura-Faltung. Die Praxistauglichkeit dieses Designs war jedoch eingeschränkt, weil die Batterie im gefalteten Zustand eine unebene Oberfläche hat. Dadurch war sie laut Jiang nicht gut für Armbänder geeignet.

In ihrem neueren Projekt entschied sich die Gruppe deshalb für die Arbeit mit Krigami, einer Origami-Variation, bei der nicht nur gefaltet wird, sondern auch geschnitten. Wie die Forscher berichten, halfen kleine waagerechte Einschnitte entlang der unterschiedlichen Materialschichten vor dem Laminieren tatsächlich: Wenn die so entstehende Struktur auf eine bestimmte Weise gedreht oder gefaltet wird, werden die Batterien durch eine Rotation an den eingeschnittenen Stellen dehnbar. Anders als bei den bisherigen reinen Origami-Designs bleibt die Batterie zudem auch beim Dehnen gleich dick.

Die Forscher führten ihre Batterie nicht nur mit einer realen Smartwatch vor, sondern testeten sie auch in kompakter und gedehnter Form. Tatsächlich blieben ihre elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften auch nach vielen Ladezyklen erhalten, und trotz der Rotation beim Dehnen blieb auch die Struktur intakt. Das Ziel seiner Gruppe ist laut Jiang, diese Technologie zu kommerzialisieren. Derzeit überarbeiten die Forscher die Batteriehülle, um Sicherheitsprobleme zu lösen. Wie Jiang erklärt, ließe sich die Trigami-Technik zudem auch für andere Elektronik außer Batterien nutzen, etwa für Sensoren oder Superkondensatoren.

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