Smartwatches funktionieren mit starren Lithium-Ionen-Batterien ausreichend, doch experimentelle Wearables wie intelligente Kleidung oder implantierbare Module erfordern eine neue Stromquelle. Eine flexible Batterie ohne giftige oder brennbare Chemikalien ist essenziell – etwa statt einer AAA-Duracell im Arm für medizinische Implantate.
Forscher der Fudan-Universität in China haben eine Lösung gefunden: eine einfache intravenöse Kochsalzlösung. Bei der Suche nach sicheren Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien testeten sie kostengünstige Natrium-Ion-Lösungen. Gewählt wurden zwei biokompatible Varianten: eine normale Kochsalzlösung wie bei IV-Infusionen und eine Zellkulturflüssigkeit mit Aminosäuren, Zuckern, Vitaminen und Natriumionen.
"Aktuelle Batterien wie Lithium-Ionen in Implantaten sind starr und basieren oft auf brennbaren oder korrosiven Elektrolyten, die Sicherheitsrisiken bergen und biokompatibel schwach sind", erklärt Yonggang Wang, Chemieprofessor an der Fudan-Universität und Mitautor der Studie im Collaborative Innovation Center for Chemistry for Energy Materials.
Da diese Elektrolyte Gewebe schonen, entfallen aufwendige starre Gehäuse. Die Forscher ersetzten sie durch flexible Designs: eine "gürtelförmige" Batterie mit Elektrodenfilmen auf Stahlsträngen und eine "faserförmige" mit Nanopartikeln um Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Studie erschien in der renommierten Zeitschrift Chem.
Im Vergleich zu Natriumsulfat-Batterien (für externe Wearables) zeigten Kochsalz- und Zellkulturvarianten nur minimal geringere Kapazitäten – und übertrafen sogar viele Lithium-Ionen-Batterien, selbst bei Falten und Biegen.
Interessanter Nebeneffekt: Kohlenstoff-Nanoröhren in der Faserbatterie wandeln gelösten Sauerstoff in Wasserstoffperoxid um – schädlich für die Batterie, doch potenziell nutzbar gegen Krebs.
"Sauerstoffmangel könnte Krebszellen oder Bakterien auslöschen"
"Diese faserförmigen Elektroden könnten implantiert werden, um Sauerstoff in schwer erreichbaren Bereichen zu verbrauchen", sagt Wang. "Desoxygenierung macht Krebszellen und pathogene Bakterien anfällig für pH-Änderungen. Dies ist hypothetisch, doch wir planen Kooperationen mit Biologen und Medizinern."
Smarte Kleidung und Implantate stecken noch in den Kinderschuhen, doch biokompatible, flexible Batterien könnten der Schlüssel zum Erfolg sein. Wangs Team liefert hier eine bahnbrechende Technologie für Anwendungen unter und auf unserer Haut.
Bild: Künstlerische Darstellung faserförmiger implantierbarer Batterien mit biokompatiblen Elektrolyten. Bildnachweis: Guo et al.