Wearables

Forscher entwickeln biegbare Mikrobatterien für elektronische Kleidung

| Redakteur: Katharina Juschkat

Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien sorgen für mehr Leistung in Wearables.
Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien sorgen für mehr Leistung in Wearables. (Bild: Fraunhofer IZM)

Für smarte Kleidungsstücke, die mit Sensoren und Elektronik ausgestattet sind, braucht es passende Batteriekonzepte. Dazu hat das Fraunhofer IZM jetzt biegbare Mikrobatterien entwickelt, die eine wesentlich höhere Leistung haben als bisher verwendete Batterien in Wearables.

Elektronik umgibt uns heutzutage in fast allen Lebensbereichen – immer häufiger auch in unseren Kleidungsstücken. Sogenannte Wearables sind am Körper tragbare Systeme, die, mit Sensoren bestückt, hautnah Messdaten sammeln können. Damit die Sensoren drahtlos mit Energie versorgt werden, sind flexible Batterien erforderlich, die sich bestmöglich dem Material anpassen und gleichzeitig den Ansprüchen an elektrische Leistung genügen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) hat dafür Mikrobatterien entwickelt.

Energieversorgung der Wearables eine technische Herausforderung

Wearables werden in der Medizin eingesetzt, 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, kann der Herzschlag des Patienten bequem gemessen werden. Auch im Alltag wird die Technologie getragen, beispielsweise als Fitness-Armband, das den Pulsschlag beim Joggen misst. Laut dem Fraunhofer-Institut wird Wearables ein rasantes Wachstumspotenzial vorausgesagt: Bereits 2020 sollen sie einen Marktwert von 72 Milliarden Euro erreicht haben.

Die Energieversorgung der smarten Kleidungsstücke ist eine technologische Herausforderung. Es müssen technische Anforderungen wie Langlebigkeit und Energiedichte mit spezifischen Materialanforderungen wie Gewicht, Flexibilität und Größe kombiniert werden. Zum Beispiel bei einem intelligenten Armband, dessen Entwicklung das Fraunhofer IZM bis zum Prototypen gebracht hat. 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 3 % pro Jahr.

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

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Intelligentes Pflaster überwacht Gesundheitszustand

Dr. Robert Hahn, Wissenschaftler am Fraunhofer IZM, erklärt: „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.

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 besser nachzuverfolgen und zu kontrollieren.

BUCHTIPP Auf dem Stand der aktuellen Technik vermittelt das Fachbuch „Akkuwelt“ das Basiswissen zur Batterie-Technologie und bietet einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien. Außerdem gibt das Buch einen Einblick in potenzielle und zukünftige Entwicklungstendenzen.

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.

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