Gel-Batterien: Eine bizarre und dehnbare Energie, inspiriert von der Natur

• Gel-Batterien sind selbstheilend, gallertartig und können auf mehr als das Zehnfache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, ohne ihre Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
• Gel-Batterien könnten in tragbaren Geräten oder weichen Robotern eingesetzt werden und auch im Gehirn implantiert werden, um Medikamente zu verabreichen oder Krankheiten wie Epilepsie zu behandeln.
• Die Entwicklung von Gel-Batterien bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich, darunter die Notwendigkeit von Biokompatibilitätstests und die Einrichtung einer effizienten Großserienproduktion.

UNSERE MEINUNG
Gel-Batterien, die von der Fähigkeit des Zitteraals inspiriert sind, Energie zu erzeugen, führen eine flexible und selbstheilende Energielösung ein. Diese Hydrogel-Batterien können ohne Leitfähigkeitsverlust gedehnt werden, was sie ideal für tragbare Geräte, medizinische Implantate und Robotik macht. Forscher der Universität Cambridge und der Universität für Technologie Guilin sind in diesem Bereich führend und versuchen, sie aufgrund ihrer vielversprechenden Sicherheitsprofile und robusten Leistung zu vermarkten. Es scheint, dass diese Mischung aus biologischer Kompatibilität und technologischem Fortschritt bald praktischere und zuverlässigere Geräteintegrationen ermöglichen könnte, insbesondere im medizinischen Bereich.
–Heidi Luo, BTW-Reporterin

Einführung in Gel-Batterien

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Ihr tragbares Gerät niemals Unbehagen verursacht und Ihr medizinisches Implantat darauf ausgelegt ist, sich mit Ihrem Körper zu bewegen. Wie wir alle wissen, schränken herkömmliche Batterien mit ihren starren Strukturen oft ein, was wir mit diesen Technologien erreichen können. Glücklicherweise bieten Gel-Batterien aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassungsfähigkeit eine vielversprechende Lösung.

Die Natur ist oft die Quelle technologischer Durchbrüche. Die Idee hinter den Gel-Batterien stammt tatsächlich aus einer unwahrscheinlichen Quelle: dem Zitteraal. Dieses Wassertiererzeugt Elektrizitätdurch Zellen, die als Elektrozyten bezeichnet werden, um Beute zu betäuben oder sich zu verteidigen.

Durch die Nachahmung dieses natürlichen Prozesses haben Forscher Batterien entwickelt, die Hydrogele verwenden, die ähnlich wie der Zitteraal funktionieren. Die neuesten Forschungen der Universität Cambridge haben große Fortschritte in der Gel-Batterie-Technologie erzielt. Sie verwendeten Hydrogele aus geschichteten organischen Polymeren, die mehr als 60 % Wasser enthalten, wodurch diese Materialien Elektrizität sehr effizient leiten können.

Mit diesen Hydrogelen haben sie Batterien entwickelt, die sich biegen, dehnen und sogar selbst reparieren. Das macht sie angenehmer auf der Haut zu tragen und robuster, wenn sie in innere Organe wie Lunge, Herz oder Gehirn implantiert werden, so ein Bericht des „Economist".

Während die meisten Batterien einen Leitfähigkeitsverlust erleiden, wenn das Material, aus dem sie bestehen, gebogen oder gedehnt wird, kann eine Gel-Batterie auf das Eineinhalbfache ihrer Länge gedehnt werden, ohne Spannungsverlust.

Stephen O’Neill, Mitglied des Forschungsteams von Cambridge.

Eine zweite Gruppe der Universität für Technologie Guilin hat zusammen mit anderen Forschungszentren in China an einer selbstheilenden Hydrogel-Batterie gearbeitet. Ihre kürzlich in Nano Research Energy veröffentlichte Forschung zeigt, dass ihre Batterie viele Biegungen und Verdrehungen aushält. Die Gruppe stellte auch fest, dass die Batterie auch nach zehnmaligem Bruch selbstheilend bleibt, was zeigt, dass sie wirklich robust ist und in praktischen Anwendungen sehr langlebig sein könnte.

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Welche einzigartige Fähigkeit des Zitteraals hat das Design von Gel-Batterien inspiriert?

A) Seine Fähigkeit, rückwärts zu schwimmen
B) Seine Fähigkeit, Elektrizität zu erzeugen
C) Seine Fähigkeit, sowohl in Süß- als auch in Salzwasser zu leben
D) Seine Fähigkeit, im Dunkeln zu leuchten

Die richtige Antwort finden Sie am Ende des Artikels.

Entwicklung von Gel-Batterien

Svolt Energy Technology Company, ein führendes Unternehmen der Batterieindustrie, stellte die Idee der Gel-Batterien erstmals beim ersten Battery Day am 2. Dezember 2020 in Wuxi, China, vor. Die Gel-Batterie ist eine Lithium-Batterie, die einen neuen gelartigen Elektrolyten verwendet. Sie ist selbstheilend und brennt nicht. Diese Batterie funktioniert genauso gut wie herkömmliche Flüssigelektrolyt-Batterien, verhindert aber auch die Wärmeausbreitung und behält ihre Stabilität auch bei physischer Belastung.

Bei den Tests des Unternehmens zeigte die Gel-Batterie erhebliche Sicherheitsverbesserungen im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Sie bestand einen Wärmebox-Test bei 150 °C, was beweist, dass sie Druck standhalten und auch bei Erwärmung weiter funktionieren kann. Diese Eigenschaften sind ideal für Elektrofahrzeuge, da sie extreme Hitze aushalten und unter allen Bedingungen gut funktionieren. Das macht die Technologie sicherer und nützlicher für Elektrofahrzeuge.

Am 4. Juli letzten Jahres stellte Svolt Energy Technology auf dem Global Partner Summit seine Gel-Batterie der zweiten Generation vor. Vizepräsident Zhang Fangnan pries die hohe Energiedichte und die Schnellladefähigkeiten der Batterie und kündigte die Absicht an, die Serienproduktion im Februar 2026 zu starten.

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Unterdessen erzielte die Universität Cambridge im Juli 2024 bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Gel-Batterie-Technologie. Die neue Gel-Batterie der Universität ist selbstheilend, gallertartig und kann auf mehr als das Zehnfache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, ohne an Leitfähigkeit zu verlieren, so ein Bericht des Sci-Tech Daily.

Eigenschaften und Vorteile

Was die Gel-Batterien besonders macht, ist ihr innovatives Design. Sie bieten eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die viele Einschränkungen herkömmlicher Batterien beheben. Erstens können sie gebogen und gedehnt werden, was sie ideal für tragbare Technologien und medizinische Implantate macht, die sich mit dem Körper bewegen müssen. Diese Anpassungsfähigkeit bedeutet, dass sich die Benutzer keine Sorgen über Unbehagen machen müssen und die mit diesen Batterien betriebenen Geräte zuverlässiger sind.

„Die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels können an die des menschlichen Gewebes angepasst werden", sagte Teamleiter Oren Scherman. „Hydrogel-Implantate werden vom Körper weniger wahrscheinlich abgestoßen oder verursachen Narbengewebebildung, da sie keine starren Komponenten wie Metalle enthalten."

Neben ihrer Flexibilität sind Hydrogele wirklich widerstandsfähig. Sie können viel Druck aushalten, ohne beschädigt zu werden, und können sich sogar selbst reparieren, wenn sie zerbrechen. Darüber hinaus können sich Gel-Batterien selbst heilen. Diese Batterien bestehen aus Hydrogelen, was bedeutet, dass sie starke molekulare Bindungen haben, die sich bei Beschädigung neu ausrichten und reparieren können.

Ein weiteres Merkmal der Gel-Batterie ist, dass die starken molekularen Bindungen, die es den Polymeren ermöglichen, sich zu dehnen, es dem Material auch ermöglichen, sich bei Bruch sehr schnell zu reparieren.

Jade McCune, Mitglied des Cambridge-Teams.

Dies verlängert nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern reduziert auch den Wartungsaufwand und die Gesamtkosten. Darüber hinaus könnte das Potenzial für kabelloses Laden ihre Integration in verschiedene Geräte noch einfacher machen, was sie noch vielseitiger und benutzerfreundlicher macht.

Anwendungen

Gel-Batterien revolutionieren viele Bereiche durch ihre einzigartige Flexibilität und ihre selbstheilenden Eigenschaften. Ihre Fähigkeit, sich zu dehnen und komplexe Formen anzunehmen, macht sie besonders geeignet für tragbare und implantierbare Geräte. Diese Batterien verbessern die Funktionalität und den Komfort von Gesundheitsüberwachungsgeräten wie Hautpflastern, die verschiedene medizinische Zustände überwachen, und Smartwatches, die kontinuierlich Gesundheitsparameter verfolgen, ohne die mit herkömmlichen starren Batterien verbundenen Unannehmlichkeiten.

In der Medizintechnik beschränken sich Gel-Batterien nicht auf externe Geräte, sondern haben auch ein großes Potenzial für interne Anwendungen. Sie können in den Körper implantiert werden, um Geräte wie Gehirn-Computer-Schnittstellen mit Strom zu versorgen, die zur Steuerung elektronischer Prothesen oder zur direkten Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Erkrankungen wie Epilepsie eingesetzt werden könnten. Ihre Fähigkeit, sich mit dem Körpergewebe zu verbinden und mit ihm zu bewegen, verringert das Reizrisiko und erhöht die Sicherheit und den Komfort für die Patienten.

Neben der medizinischen und persönlichen Nutzung sind Gel-Batterien vielversprechend für Anwendungen in der weichen Robotik. Ihre Flexibilität ermöglicht es Robotern, heikle Aufgaben auszuführen und sicher in der Nähe von Menschen zu arbeiten, was sie ideal für die Integration in fortschrittliche Prothesenvorrichtungen wie Handschuhe macht, die Schlaganfallopfern helfen, die Beweglichkeit ihrer Hände wiederzuerlangen. Diese Anwendung ist besonders vielversprechend, da sie die Grenzen dessen erweitert, was mit Roboterprothesen möglich ist, und den Benutzern eine verbesserte Mobilität und Lebensqualität bietet.

Herausforderungen und Zukunftsperspektiven

Gel-Batterien haben viele Stärken, aber es gibt noch einige Hürden zu überwinden. Eines der Hauptprobleme ist die Frage, ob diese Batterien für den Einsatz in medizinischen Implantaten sicher sind. Es ist wirklich wichtig, sicherzustellen, dass die Materialien keine Probleme verursachen, wenn sie in den menschlichen Körper implantiert werden.

Daher müssen wir noch viel mehr Tests unter realen Bedingungen durchführen, um ihr Sicherheitsniveau vollständig zu verstehen. Ein weiteres Problem ist die Steigerung der Produktion ohne Qualitäts- oder Leistungseinbußen. Da sich diese Batterien auf dem Weg zur Kommerzialisierung befinden, wird es wirklich wichtig sein, kostengünstige Fertigungsmethoden im großen Maßstab zu entwickeln.

Noch wichtiger ist, dass das Potenzial für kabelloses Laden und weitere Verbesserungen der Selbstheilungsfähigkeiten vielversprechende Forschungsthemen für die Zukunft darstellen. Verbesserungen in diesen Bereichen könnten Gel-Batterien noch vielseitiger und attraktiver für ein breiteres Anwendungsspektrum machen.

Kurz gesagt, Gel-Batterien könnten die Technologiewelt revolutionieren, insbesondere bei tragbaren und implantierbaren Geräten. Ihre Flexibilität, ihre selbstheilenden Eigenschaften und ihr Potenzial zur Biokompatibilität machen sie zu einer innovativen Lösung, die zu zuverlässigeren und komfortableren Geräten führen könnte.

Während die Forschung weitergeht und diese Batterien verfeinert und getestet werden, könnten wir eine neue Ära der Energieversorgung von Geräten erleben, die eine stärkere Integration und Interaktion mit dem menschlichen Körper und der Umgebung ermöglicht.

Richtige Antwort: B. Seine Fähigkeit, Elektrizität zu erzeugen