Fraunhofer IZM Mikrobatterien für Energy Harvesting aus neuartigen Polymeren

Durch mechanisch deformierbare Elektroden und ein Dielektrikum mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante kann über ein kapazitives Harvester-Prinzip mechanische Energie in elektrische umgewandelt werden.
Durch mechanisch deformierbare Elektroden und ein Dielektrikum mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante kann über ein kapazitives Harvester-Prinzip mechanische Energie in elektrische umgewandelt werden.

Das Fraunhofer IZM koordiniert das unlängst gestartete MATFLEXEND-Projekt, in dem miniaturisierte Energiewandler und Speicher auf der Basis neuer Polymerwerkstoffe und kostengünstiger Herstellungsverfahren wie Drucktechnologien entwickelt werden.

Die Energiegewinnung aus der Umwelt für energieautarke Mikrosysteme, auch Energy Harvesting genannt, ist ein hochaktuelles Thema. Die Arbeiten in MATFLEXEND sind dabei vor allem auf »intelligente« Textilien gerichtet, wozu medizinische Anwendungen wie z.B. am Körper getragene flexible Sensoren gehören, aber auch massenmarktfähige Lifestyle-Apps für Sport und Freizeit. In Zukunft soll die flexible Energieversorgungsplattform auch für »Internet of Things«-Anwendungen (IoT) nutzbar werden.

Die neuen Energiegewinnungssysteme werden für niederfrequent variierende und eher schwache Kräfte ausgelegt sein, die in derartigen Anwendungen auftreten. Insbesondere wird damit eine mechanische Impedanzanpassung an am Körper tragbare Systeme möglich. Weitere relevante Anwendungen sind mit Sensoren versehene Berufskleidung, multifunktionale Smartcards und technische Textilien, bei denen eine Verkabelung unerwünscht oder nicht praktikabel ist.

Zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie wird ein kapazitives Harvester-Prinzip verwendet. Im Unterschied zu den durch MEMS-Technologie bisher entwickelten Parallelplatten-Anordnungen, bei denen sich die Kapazität durch Variation des Plattenabstands bzw. der Überlappung der Elektroden ändert, werden in MATFLEXEND mechanisch deformierbare Elektroden entwickelt (Bild). Dadurch kann ein Dielektrikum mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante verwendet und die Energiedichte gesteigert werden.

Außerdem wird als Energiespeicher eine angepasste Lithium-Ionenbatterie entwickelt. Hier liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung druckbarer Elektrolyte, um kostengünstig kleine und flexible Batterien herstellen zu können.

Die anvisierten Vorteile umfassen einen verbesserten Wirkungsgrad der Energieumwandlung, bessere mechanische Flexibilität, sowie die Möglichkeit, derartige Vorrichtungen in einem In-line-Prozess nach Art eines Druckprozesses herzustellen, wodurch sich neue tragbare Anwendungen ergeben.

Die größten technischen Herausforderungen liegen im Bereich der Materialentwicklung und beinhalten neuartige Dielektrika auf der Basis von Nanopartikeln, elektrisch leitfähige Elastomere mit sehr hoher Langzeitstabilität und Methoden zum Auftragen derartiger Materialien. Das Projekt wird ein neues Verfahren zur elektrophoretischen Abscheidung der Lithiumbatterie untersuchen, wobei ebenfalls neue, mit Nanofasern hergestellte Elektroden zum Einsatz kommen.

MATFLEXEND läuft von Oktober 2013 bis September 2016, und wird von der EU im 7. Rahmenprogramm gefördert.