Neues Batteriegel behält nach 45.000 Zyklen 98 % Leistung

Nach Angaben der Forscher könnte das Material reportedly dazu beitragen, tragbare Elektronik und flexible Energiespeichergeräte in extremen Klimazonen zu betreiben. „Für praktische Anwendungen ist es entscheidend, langfristige Stabilität und Reproduzierbarkeit in großflächigen Herstellungsprozessen zu gewährleisten", so die Forschungsgruppe.

Ein neues flexibles Hydrogel: Das Wachstum tragbarer und biointegrierter Elektronik hat die Nachfrage nach flexiblen Energiespeichersystemen erhöht, die Biegung, Dehnung und rauen Umweltbedingungen standhalten können, ohne an Leistung zu verlieren.

Gleichzeitig weisen herkömmliche Hydrogelelektrolyte zwar Flexibilität und eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, fehlen jedoch oft an mechanischer Festigkeit. Zudem gefrieren sie bei niedrigen Temperaturen, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Um diese Herausforderung zu bewältigen, hat das Team der SKKU einen Hydrogelelektrolyten entwickelt.

Was die Studie zeigt

Die Forscher nutzten flüssigmetallische Partikel (LMPs) als Initiatoren für die Polymerisation, den chemischen Prozess zur Bildung des Hydrogelnetzwerks. Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses und der Bauelementstruktur des auf flüssigem Metall basierenden Hydrogelelektrolyten. Quelle: Zhang, Q., Bhuyan, P., Nguyen, Q.T. et al.

Die Partikel vereinen eine anpassungsfähige, flüssigkeitsähnliche Eigenschaft mit metallischen Eigenschaften. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Anwendungen wie flexible Elektronik, Wirkstofftransport und weiche Robotik.

Anschließend nutzte das Team Ultraschallbehandlung, eine Technik, bei der hochfrequente Schallwellen Materialien zur Bewegung anregen und verarbeiten, um das flüssige Metall in feine Partikel zu zerlegen. Diese Partikel lösten dann die Polymerisation äure aus, wodurch das Hydrogel entstand.

Was die Studie zeigt

Das Verfahren funktioniert ohne Hitze, UV-Licht oder andere externe Stimuli, was die Herstellung erleichtert. Flüssige Metalllösung Gleichzeitig integrierten die Forscher auch Stearyl-Methacrylat (SMA), ein hydrophobes Material, das physikalische Vernetzungen zwischen den Polymerketten bildet.

Diese reversiblen Verbindungen können unter Belastung brechen, um Energie aufzunehmen, und bilden sich nach Entfernen der Belastung erneut. Dies verleiht dem Hydrogel außergewöhnliche Haltbarkeit und Dehnbarkeit. Tests zeigten, dass es sich bis zu neunmal seiner ursprünglichen Länge dehnen kann, bevor es reißt. Dies entspricht einer Bruchdehnung 900 Prozent.

Die Forscher tauchten das Hydrogel anschließend in eine Lithiumchlorid-Lösung ein. Dieser Schritt unterdrückte die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen, verhinderte das Einfrieren und bewahrte die Flexibilität.

Technischer Hintergrund

Folglich behielt der Elektrolyt sowohl die Ionenleitfähigkeit als auch die mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen von -4 Grad Fahrenheit bei, im Gegensatz zu herkömmlichen Hydrogelsystemen. Darüber hinaus behielten Energiespeichergeräte, die mit diesen Materialien hergestellt wurden, nach 45.000 Lade-Entlade-Zyklen 98 Prozent ihrer Leistungsfähigkeit.

Park betonte die Bedeutung dieser Innovation. „Diese Arbeit führt eine neue Designstrategie für Hydrogelelektrolyte auf Basis üssigem Metall ein und bietet eine vielversprechende Plattform für next-generation wearable electronics und flexible Energiespeichersysteme unter extremen Bedingungen," fasste er in einer Pressemitteilung zusammen.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nano-Micro Letters veröffentlicht.