Drahtlose Energieversorgung für Wearables

11.2.2019

Auf dem Markt der Zukunft kommt eine neue Technologie zum Tragen – besser gesagt: Sie wird getragen. Wearables 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.

© Fraunhofer IZM

Herstellung von Mikrobatterien mit nebeneinanderliegenden Elektroden auf Silizium-Wafer.

© Fraunhofer IZM

Mechanisch flexible Batteriestreifen aus segmentierten Mikrobatterien.

Besonders 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-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM bis zum Prototypen gebracht hat. Es kann wortwörtlich hautnah Daten sammeln. Der technologische Kniff, der sich hinter dem Band aus Silikon verbirgt, sind 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 hat der neue Prototyp 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 von zukünftigen Smartwatch-Produkten mit deutlich erweitertem Funktionsumfang zu ermöglichen.

Segmentierung als Erfolgsrezept

Dr. Robert Hahn, Wissenschaftler in der Abteilung RF & Smart Sensor Systems am Fraunhofer IZM erklärt das Erfolgsrezept: »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 andererseits 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. Zudem wird berücksichtigt, dass die verwendeten Materialien günstig und leicht entsorgbar sein müssen. Schließlich sind Pflaster Wegwerfprodukte.