Fraunhofer IZM Segmentierte Mikrobatterien für Wearables

Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien
Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien

Um Sensoren in Wearables mit Energie zu versorgen, müssen sich die Batterien bestmöglich dem Material anpassen und gleichzeitig den Ansprüchen an elektrische Leistung genügen. Dafür hat das Fraunhofer IZM nun eine segmentierte Batterie geschaffen, die einer Gliederkette ähnelt.

Wearables kommen unter anderem in der Medizin zum Einsatz, um Daten zu sammeln, ohne den Patienten in seinem Alltag zu stören, zum Beispiel bei Langzeit-EKGs. Weil die Sensoren in die Kleidung integriert, leicht und flexibel sind, lässt sich der Herzschlag des Patienten bequem messen. Auch im Alltag wird die Technologie getragen, beispielsweise als Fitness-Armband, das den Pulsschlag beim Joggen misst. Wearables wird ein rasantes Wachstumspotenzial vorausgesagt: Bereits 2020 sollen sie einen Marktwert von 72 Mrd. Euro erreicht haben.

Die Energieversorgung der smarten Kleidungsstücke ist eine technologische Herausforderung. Es sind technische Anforderungen wie Langlebigkeit und Energiedichte mit spezifischen Materialanforderungen wie Gewicht, Flexibilität und Größe zu kombinieren. Zum Beispiel bei einem »intelligenten« Armband, dessen Entwicklung das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM bis zum Prototypen gebracht hat. Es kann wortwörtlich hautnah Daten sammeln. Der technologische Kniff, der sich hinter dem Band aus Silikon verbirgt, sind dabei drei grün durchschimmernde Batterien. Mit einer Kapazität von 300 mAh versorgen die Batterien das Armband mit Strom. Sie speichern eine Energie von 1,1 Wh und verfügen über eine Selbstentladung von weniger als drei Prozent pro Jahr.

Mit diesen Parametern verfügt der neue Prototyp über eine deutlich höhere Kapazität als bisher auf dem Markt erhältliche Smartbands und kann damit auch anspruchsvolle tragbare Elektronik mit Energie versorgen. Die verfügbare Kapazität reicht, um die Energieversorgung einer herkömmlichen Smartwatch ohne Laufzeitverlust zu ermöglichen. Mit diesen Kennwerten schlägt der Prototyp nach Aussage der Forscher auch etablierte Produkte wie aktuelle Smart Watches, wo lediglich eine Batterie im Uhrgehäuse und nicht im Armband verwendet wird.

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Mikrobatterien für Wearables

Das Fraunhofer IZM hat segmentierte Mikrobatterien für Wearables entworfen.

Segmentierung als Erfolgsrezept

Dr. Robert Hahn, Wissenschaftler in der Abteilung RF & Smart Sensor Systems am Fraunhofer IZM erklärt das Erfolgsrezept: »Die Energiedichte von sehr biegbaren Batterien ist schlecht – besser ist ein segmentiertes Konzept«. Anstatt die Batterien auf Kosten von Energiedichte und Zuverlässigkeit mechanisch extrem flexibel zu machen, arbeitet das Institut daran, sehr kleine und leistungsstarke Batterien auszulegen und optimale Aufbautechniken zu entwickeln. Zwischen den Segmenten sind die Batterien biegbar. So ist das Smart Band einerseits flexibel und verfügt anderseits über viel mehr Energie als andere smarte Armbänder auf dem Markt. Das Prinzip ähnelt dem einer Gliederkette, bei der eine Kette aus vielen starren Gliedern zusammengesetzt ist.

Für die Entwicklung tragbarer Batterien kombiniert das Fraunhofer IZM neue Konzepte und langjährige Erfahrungen mit einer kundenspezifischen Entwicklung: »Wir erarbeiten in Zusammenarbeit mit den Firmen die passende Batterie«, erklärt der promovierte Elektrotechnik-Ingenieur. In enger Rücksprache mit dem Kunden werden die Anforderungen an die Energieversorgung formuliert. Parameter wie Form, Größe, Spannung, Kapazität und Leistung werden angepasst und ein Energieversorgungskonzept wird entwickelt. Darüber hinaus werden kundenspezifische Tests durchgeführt.

»Intelligentes« Pflaster misst Schweiß

2018 ist am Institut ein neues Projekt im Bereich der tragbaren Technologie an den Start gegangen: das »intelligente« Pflaster. Gemeinsam mit dem Schweizer Sensorhersteller Xsensio soll im Rahmen des von der EU geförderten Projekts ein Pflaster entwickelt werden, das den Schweiß des Trägers ohne Zeitverzögerung messen und analysieren kann. Anhand des Schweißes lassen sich Aussagen über den Gesundheitszustand des Trägers ableiten. Eine bequeme und zeitechte Analyse bietet insofern die Möglichkeit, Heilungsprozesse viel besser nachzuverfolgen und zu kontrollieren.

Das Fraunhofer IZM entwickelt das Aufbaukonzept und die Energieversorgung der schweißmessenden Sensoren. Es sollen Batterien integriert werden, die extrem flach, flexibel und leicht sind. Dafür werden verschiedene neue Konzepte erarbeitet. Möglich wäre zum Beispiel eine Verkapselung aus Aluminiumverbundfolie. Bei der Materialwahl wird zudem berücksichtigt, dass die verwendeten Materialien günstig und leicht entsorgbar sein müssen. Schließlich sind Pflaster Wegwerfprodukte.