Flexible Mikrobatterien für medizinische Wearables

Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien. (Foto: Fraunhofer IZM)

Wearables kommen auch in der Medizin immer häufiger zum Einsatz. Mit Sensoren bestückt, sammeln sie hautnah Messdaten. Damit die Sensoren drahtlos mit Energie versorgt werden, sind flexible Batterien erforderlich, wie sie am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM entwickelt werden. Die Mikrobatterien müssen sich bestmöglich an das Material anpassen und gleichzeitig den Ansprüchen an elektrische Leistung genügen.

In der Medizin werden Wearables verwendet, um Daten zu sammeln, ohne den Patienten in seinem Alltag zu stören. Ein Beispiel dafür sind 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. Wearables wird ein rasantes Wachstumspotenzial vorausgesagt: Bereits 2020 sollen sie einen Marktwert von 72 Milliarden Euro erreicht haben.

Die Energieversorgung der smarten Kleidungsstücke gilt als technologische Herausforderung. Denn technische Anforderungen wie Langlebigkeit und Energiedichte müssen mit spezifischen Materialanforderungen wie Gewicht, Flexibilität und Größe kombiniert werden.  Ein Beispiel dafür ist ein intelligentes Armband, dessen Entwicklung das Fraunhofer IZM bis zum Prototypen gebracht hat.

Smarte Technik für leistungsstarke Energieversorgung

Das Siliconband liegt direkt auf der Haut und sammelt dort Daten. Drei grün durchschimmernde Batterien versorgen das Armband mit einer Kapazität von 300 Milliamperestunden mit Strom. Sie speichern eine Energie von 1,1 Wattstunden und verfügen über eine Selbstentladung von weniger als drei Prozent pro Jahr. Damit verfügt der neue Prototyp über eine deutlich höhere Kapazität als bisher auf dem Markt erhältliche Smartbands und kann 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 den Forschern zufolge auch etablierte Produkte wie aktuelle Smart Watches, in denen lediglich eine Batterie im Uhrgehäuse und nicht im Armband verwendet wird.

„Die Energiedichte von sehr biegbaren Batterien ist schlecht – besser ist ein segmentiertes Konzept als Erfolgsrezept“, erklärt Dr. Robert Hahn, Wissenschaftler in der Abteilung RF & Smart Sensor Systems am Fraunhofer IZM. Anstatt die Batterien auf Kosten von Energiedichte und Zuverlässigkeit mechanisch extrem flexibel zu machen, arbeiten die Wissenschaftler daran sehr kleine und leistungsstarke Batterien auszulegen und optimale Aufbautechniken zu entwickeln. Zwischen den Segmenten sind die Batterien biegbar. Ein solches Smart Band ist flexibel und verfügt gleichzeitig über deutlich mehr Energie als andere smarte Armbänder auf dem Markt.

Individuelle Mikrobatterien für Wearables

Für die Entwicklung tragbarer Batterien nutzen die Forscher ihre Erfahrung für die Entwicklung kundenspezifischer Lösungen.  „Wir erarbeiten in Zusammenarbeit mit den Firmen die passende Batterie“, erklärt der Elektrotechnik-Ingenieur. In enger Rücksprache mit dem Kunden werden die Anforderungen an die Energieversorgung formuliert. Die Wissenschaftler passen Parameter wie Form, Größe, Spannung, Kapazität an und entwickeln ein Energieversorgungskonzept. Darüber hinaus werden kundenspezifische Tests durchgeführt.

Intelligentes Pflaster misst Schweiß

Ein Beispiel für eine solche Entwicklung ein neues Projekt aus dem Jahr 2018: das intelligente Pflaster. Zusammen 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 sollen sich dann Aussagen über den Gesundheitszustand des Trägers ableiten lassen. Die zeitnahe Verfügbarkeit und Analyse der Daten soll dafür sorgen, dass Heilungsprozesse besser nachverfolgt und kontrolliert werden können. Die Fraunhofer-Wissenschaftler entwickeln das Aufbaukonzept und die Energieversorgung der schweißmessenden Sensoren. In das smarte Pflaster 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. Die verwendeten Materialien müssen zudem günstig und leicht entsorgbar sein. Denn schließlich sind auch smarte Pflaster Wegwerfprodukte.