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In Kleidung integrierbare Thermozellen auf Gel-Elektrolyt-Basis nutzen Körperwärme
Weinheim (idw) - In Textilien integrierte Elektronik liegt im Trend: Systeme wie das Smartphone-Display
im Ärmel oder Sonden für Körperfunktionen in der Sportbekleidung wurden bereits realisiert. Woran
es am meisten hapert, ist eine bequeme, ebenfalls „anziehbare“ Stromversorgung. Chinesische Wissenschaftler wollen
die benötigte Energie jetzt aus überschüssiger Körperwärme beziehen. In der Zeitschrift
Angewandte Chemie stellen sie eine flexible, am Körper tragbare Thermozelle vor, die auf zwei verschiedenen
gelartigen Elektrolyten basiert.
Durch Muskelarbeit und Stoffwechsel erzeugt unser Körper ständig Wärme. Ein Teil davon wird einfach
über die Haut an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der relativ geringen Temperaturunterschiede zwischen den
ungefähr 32 °C der Haut und der Umgebungstemperatur ist eine Nutzung der Körperwärme nicht so
einfach zu realisieren. Bisherige thermoelektrische Generatoren, beispielsweise auf Halbleiterbasis, liefern zu
wenig Energie, sind kostspielig oder zu zerbrechlich für Systeme, die am Körper getragen werden sollen.
Und Thermozellen mit Elektrolytlösungen lassen sich nicht gut zu großflächigen „anziehbaren“ Systemen
integrieren. Das Team um Jun Zhou von der Huazhong University of Science and Technology (Wuhan, China) hat eine
Lösung für dieses Problem gefunden: Thermozellen mit Elektrolyten auf Gelbasis.
Die Forscher nutzen dabei einen thermogalvanischen Effekt: Werden zwei Elektroden, die sich im Kontakt mit einer
Elektrolytlösung – oder einem Elektrolytgel – auf unterschiedlicher Temperatur gehalten, baut sich eine Potentialdifferenz
auf. Die Ionen eines Redoxpaares im Elektrolyten können rasch zwischen zwei verschiedenen Ladungszuständen
wechseln, indem sie an den Elektroden Elektronen aufnehmen bzw. abgeben. Um dies zur Gewinnung von Strom zu nutzen,
kombinierten die Wissenschaftler zwei Typen von Zellen mit unterschiedlichen Redoxpaaren miteinander. Jede Zelle
besteht aus zwei winzigen Metallplättchen als Elektroden, dazwischen befindet sich das Elektrolygel. Zelltyp
1 enthält das Redoxpaar Fe2+/Fe3+, Zelltyp 2 die Komplexionen [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-. Die Wahl der Redoxpaare
bewirkt, dass bei einer Temperaturdifferenz auf der kalten Seite in Zelltyp 1 ein negatives Potential entsteht,
in Typ 2 dagegen ein positives.
Die Forscher arrangierten eine Vielzahl der beiden Zelltypen zu einem Schachbrettmuster. Je zwei benachbarte Zellen
wurden alternierend oben und unten von einem gemeinsamen Metallplättchen bedeckt und somit alle Zellen in
Reihe geschaltet. Dieses „Schachbrett“ integrierten sie in einen Handschuh. Wird er angezogen, entsteht die erwünschte
Temperaturdifferenz zwischen oberen und unteren Metallplättchen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung
zwischen benachbarten Zellen, die sich aufsummiert. So ließe sich Strom zur Versorgung eines Geräts
oder zur Aufladung eines Akkus gewinnen.
Bei einer Umgebungstemperatur von 5 °C konnten etwa 0,7 V Spannung sowie eine Leistung von etwa 0,3 µW
erreicht werden. Eine Reihe von Optimierungen soll nun die Leistung auch bei geringeren Temperaturdifferenzen verbessern.
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