Millimetergroße Lithium-Ionen-Batterie mit interdigitalen Elektroden© Fraunhofer IZM, Volker Mai
Auf dem Markt der Zukunft kommt eine neue Technologie zum Tragen. Wearables ist eine Bezeichnung und steht für am Körper tragbare Systeme, die, mit Sensoren bestückt, hautnah Messdaten sammeln. 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. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM schafft mit diesen Mikrobatterien die technologischen Voraussetzungen für den Technik-Trend.
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 kann die Technologie getragen werden, beispielsweise als Fitness-Armband, um den Pulsschlag beim Joggen zu messen. Wearables wird ein rasantes Wachstumspotenzial vorausgesagt: Bereits 2020 sollen sie einen Marktwert von 72 Mrd Euro erreicht haben.
Die Entwicklung das Fraunhofer IZM hat es bis zum Prototypen, eines intelligenten Armband, gebracht. Es können damit hautnah Daten gesammelt werden. Der technologische Kniff, der sich hinter dem Band aus Silikon verbirgt, sind dabei drei grün durchschimmernde Batterien. Mit einer Kapazität von 300 Milliamperestunden versorgen die Batterien das Armband mit Strom. Sie speichern eine Energie von 1,1 Wattstunden und verfügen über eine Selbstentladung von weniger als drei Prozent pro Jahr. Der neue Prototyp verfügt mit diesen Parametern 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 ist ausreichend, um die Energieversorgung einer herkömmlichen Smartwatch ohne Laufzeitverlust zu ermöglichen. Mit diesen Kennwerten schlägt der Prototyp auch etablierte Produkte wie aktuelle Smart Watches, wo lediglich eine Batterie im Uhrgehäuse und nicht im Armband verwendet wird.
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.
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.
