Biologie des Zitteraals inspiriert eine leistungsstarke Gelbatterie
Ein einzigartiger Ansatz zur Entwicklung ungiftiger Batterien für medizinische Geräte und vieles mehr
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Stromquellen für Geräte, die in oder um biologisches Gewebe herum eingesetzt werden, müssen flexibel und ungiftig sein, gleichzeitig aber auch leistungsstark genug, um anspruchsvolle Technologien wie medizinische Geräte oder Soft-Robotik zu unterstützen. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, lassen sich die Forscher der Penn State University von einem "schockierenden" Ort inspirieren: dem Zitteraal.
Das Team verwendete eine hochmoderne Herstellungsmethode, um mehrere Arten von Hydrogelen - ein wasserreiches Material, das Elektrizität leiten kann - in einem bestimmten Muster zu schichten, das die Ionenprozesse nachahmt, die elektrische Aale zur Erzeugung von Stromstößen verwenden. Mit diesem Ansatz lassen sich Stromquellen mit höherer Leistungsdichte als bei anderen hydrogelbasierten Konstruktionen herstellen, die gleichzeitig flexibel, stützenfrei, umweltstabil und biologisch verträglich sind. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Science.
Laut Joseph Najem, Assistenzprofessor für Maschinenbau und korrespondierender Autor der Studie, haben sich Forscher bei der Entwicklung weicher Stromquellen bisher von der Biologie elektrischer Fische wie Aalen inspirieren lassen. Die meisten bestehenden, von Aalen inspirierten Geräte erzeugen jedoch nur eine begrenzte Leistung und benötigen mechanische Unterstützung, um zu funktionieren. Um diese Probleme zu lösen, passte das Team die Materialchemie an, um sehr dünne Hydrogele herzustellen, die mehr Strom erzeugen können, ohne dass mechanische Unterstützung benötigt wird.
"Die Elektrozyten in den Zitteraalen sind ultradünne biologische Zellen, die in der Lage sind, in einem kurzen Impuls über 600 Volt Strom zu erzeugen", so Najem. "Diese Zellen erreichen sehr hohe Leistungsdichten, d. h. sie können aus kleinen Volumina viel Strom erzeugen.
Das Team baute seine Stromquellen nur aus Hydrogel, um sicherzustellen, dass die Batterien ungiftig und flexibel bleiben, auch wenn sie immer leistungsfähiger werden.
"Für biomedizinische und biologienahe Anwendungen müssen wir sicherstellen, dass die Batterien mit ihrer Umgebung kompatibel, flexibel und sicher sind und im Idealfall die vorhandenen Ressourcen zum Aufladen nutzen können", so Najem. "Das hat uns dazu motiviert, unsere starken Energiequellen in einem System auf Hydrogelbasis zu entwickeln, das in biologischen Umgebungen gut funktioniert."
Mithilfe des Spin-Coating-Verfahrens, bei dem ultradünne Materialschichten auf eine rotierende Oberfläche aufgebracht werden, schichtete das Team vier verschiedene Hydrogelmischungen auf, die jeweils nur 20 Mikrometer dick sind - ein Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares. Diese dünne Geometrie verringert den Innenwiderstand, der für die Erzeugung einer hohen Leistung unerlässlich ist, und erhält gleichzeitig die mechanische Festigkeit und Flexibilität, erklärte Najem.
"In früheren Studien waren für Hydrogele in der Regel externe Stützstrukturen erforderlich, was diesen Ansatz unpraktisch machte und zu einer geringen Leistungsabgabe führte", so Dor Tillinger, Doktorand im Fachbereich Maschinenbau und Mitautor der Studie. "Wir fanden heraus, dass die Verwendung von dünnem Hydrogel den Innenwiderstand des Materials natürlich reduziert, was die Leistungsdichten erhöht, die wir ausgeben können.
Um ihr Hydrogel dünner zu machen, musste das Team die Chemie anpassen. Wonbae Lee, Doktorand in Materialwissenschaft und -technik und Co-Erstautor, erklärte, wie das Team mehrere Ansätze testete, bevor es sich für die optimale Mischung entschied.
"Wir mussten die chemische Mischung sorgfältig abstimmen, damit sich das Hydrogel bei der Schleuderbeschichtung gleichmäßig ausbreiten konnte, mechanisch stabil blieb und dünn genug war, um einen geringen elektrischen Widerstand aufrechtzuerhalten", so Lee. "Herkömmliche Formulierungen würden bei der Schleuderbeschichtung einfach von der Spinnoberfläche wegfliegen. Die Optimierung der Viskosität und der mechanischen Festigkeit unseres Hydrogels war entscheidend dafür, dass dieser Ansatz funktioniert."
Das Team nutzte die Geräte in Najems Labor und am Materials Research Institute, um elektrochemische Messungen an ihren Stromquellen vorzunehmen, z. B. die Entladungsrate, die Leistungsdichte und das leitfähige Potenzial. Ihre neuen Stromquellen wiesen eine Leistungsdichte von etwa 44 kW/m3 auf - höher als die bisher berichteten Stromquellen auf Hydrogelbasis und in der Lage, komplexe Geräte wie implantierte medizinische Sensoren, Soft-Robotik-Steuerungen und tragbare Elektronik effizient zu betreiben.
"Außerdem ermöglichen diese Materialoptimierungen den Betrieb in extremen Umgebungen", so Lee. "Durch die Einbindung der Chemikalie Glycerin bleiben die Hydrogel-Stromquellen bei Temperaturen von bis zu 80 Grad Celsius (C) oder -112 Grad Fahrenheit (F) funktionsfähig, ohne zu gefrieren."
Außerdem speichert das Material das Wasser länger als herkömmliche Hydrogele. Während Standard-Hydrogele innerhalb weniger Minuten austrocknen und ihre Leitfähigkeit verlieren können, kann die neue Formulierung tagelang an der Luft hydratisiert bleiben, so Najem.
"Unseres Wissens nach ist dies die erste Energiequelle, die vollständig in einer Hydrogel-Lösung enthalten ist und keine externe Unterstützung benötigt", so Najem. "Uns ist keine andere Hydrogeltechnologie bekannt, die diese Energiedichte erreicht und gleichzeitig flexibel und umweltstabil bleibt.
Laut Tillinger und Lee werden sich künftige Arbeiten darauf konzentrieren, die Leistungsdichte und die Wiederaufladeeffizienz der Energiequellen weiter zu erhöhen und gleichzeitig die Selbstaufladefähigkeit zu erforschen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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