Knorpel machen Batterien leicht und sicher

Knie und Strukturbatterien haben gleiche Bedürfnisse. Beide brauchen einen Schutz gegen Stöße. Forscher an der University of Michigan haben jetzt einen Stromspeicher entwickelt, der resistent gegen Stöße ist. [...]

Laborant beim Zusammenbau einer Knorpel-Batterie.
Laborant beim Zusammenbau einer Knorpel-Batterie. (c) Evan Doughtry

Im Knie verhindert der Knorpel, dass Knochen aneinanderreiben. In Strukturbatterien, die Forscher an der University of Michigan entwickelt haben, ist es ein ähnliches Material, das als Elektrolyt verwendet wird. Dank der neuen Bauart ist der Stromspeicher resistent gegen Stöße.

Geringer Kapazitätsverlust

Strukturbatterien sind Speicher, die in Strukturen von Fluggeräten integriert werden, in den Flügeln von Drohnen beispielsweise. Damit lässt sich die Reichweite vergrößern. Bisherige Entwicklungen waren zu schwer, hatten eine zu kurze Lebensdauer oder waren einfach unsicher. Die Forscher um Nicholas Kotov haben eine Batterie entwickelt, die die obere Hülle einer Drohne ersetzt. Der Prototyp übersteht bereits mehr als 100 Lade- und Entladezyklen, wobei die Kapazität nur um zehn Prozent abnimmt.

„Eine Batterie, die zusätzlich strukturelle Aufgaben übernimmt, muss leicht, widerstandsfähig und sicher sein“, sagt Kotov. Außerdem sei eine große Kapazität wichtig. „Unglücklicherweise schließen sich die Anforderungen gegenseitig aus.“ Die Festigkeit erreichten die Ingenieure durch den Einsatz von Zink als Elektrode. Die Nanofasern, die sie als Elektrolyt einsetzen, ähneln Knorpeln. „Die Natur hat keine Zinkbatterien entwickelt, aber ein ähnliches Problem zu lösen“, so Kotov. Knorpel habe exzellente mechanische Eigenschaften und schütze Knochen für eine lange Zeit. Außerdem sei er für Ionen durchlässig, eine Eigenschaft für die Verwendung als Elektrolyt. Dieselben Eigenschaften müsse ein fester Elektrolyt haben.

Immun gegen Dendrite

Im menschlichen Körper vereinigen Knorpel die Fähigkeit, zu schützen mit der Notwendigkeit, Wasser und Nährstoffe passieren zu lassen. „Diese Eigenschaften sind nahezu identisch mit denen eines guten Elektrolyten, der sich von Dendriten nicht zerstören lässt, Ionen aber bestens leitet“, sagt der Chemieingenieur. Dendrite sind spitze Nadeln, die sich im Laufe der Zeit auf den Elektroden bilden. Diese können einen flüssigen Elektrolyten durchdringen, sodass ein Kurzschluss entsteht, der zu einem Brand oder gar zu einer Explosion führt.

Die Flugdauer von Drohnen verlängert sich, je nach ihrem Gewicht, um fünf bis 25 Prozent, wenn zusätzlich zum normalen Bordakku eine Strukturbatterie eingebaut wird. Einziges Manko: Die Knorpel-Batterie braucht noch zu lange, um aufgeladen zu werden. An einer Lösung forscht Kotovs Team bereits.

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