Neues Material für Primärbatterien

Der Herzschrittmacher läuft und läuft

5. Dezember 2022, 15:10 Uhr | Ute Häußler
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© MIT

Herzschrittmacher und medizinische Implantate könnten mit einem neuen Katholyt weniger Batteriewechsel benötigen. Das aktiv Energie lieferndes Material soll bisher inaktive Batterieelektrolyte in der Zellproduktion zum gleichen Preis ersetzen.

Herzschrittmacherbatterien halten in der Regel fünf bis zehn Jahre - wenn sie Hochspannungsfunktionen wie Defibrillation benötigen sogar noch kürzer. Doch für solche Batterien gab es in den letzten 40 Jahren gab es keine größeren Innovationen in den grundlegenden Zellchemien. Die Batterieforschung der letzten Jahre konzentrierte sich auf ausdauernde, langlebige und günstige Akkus, egal ob für Elektroautos oder Handys. Bei den nicht wiederaufladbaren Batterien gab es dagegen nur wenige Verbesserungen, obwohl sie für medizinische Implantate eine entscheidende Rolle spielen. Der Austausch der im Körper eingesetzten Batterien erfordert einen chirurgischen Eingriff, so dass jede Verlängerung der Lebensdauer der Batterien einen erheblichen Einfluss auf die Lebensqualität des Patienten hat.

50 Prozent mehr Lebensdauer zum gleichen Preis

Nicht wiederaufladbare Batterien werden in der Medizintechnik verwendet, weil sie bei gleicher Größe und gleichem Gewicht etwa dreimal so viel Energie liefern können wie wiederaufladbare Batterien. Forscher des Bostoner MIT haben jetzt einen Weg gefunden, die Energiedichte der sogenannten Primärbatterien zu verbessern. Sie versprechen eine bis zu 50-prozentige Verlängerung der Lebensdauer oder eine entsprechende Verringerung der Größe und des Gewichts für die gleiche Energiekapazität. Der neue Ansatz soll dazu nicht nur die Sicherheit verbessern, sondern auch zum gleichen Preis umsetzbar sein.

Der Schlüssel ist eine neue Art von Elektrolyt - das Material, das zwischen den beiden elektrischen Polen der Batterie, der Kathode und der Anode, liegt und den Ladungsträgern den Übergang von einer Seite zur anderen ermöglicht. Mit Hilfe einer neuen, fluorierten Flüssigverbindung fand das MIT-Team heraus, dass diese einige der Funktionen der Kathode und des Elektrolyten in einer Verbindung, dem so genannten Katholyt, vereinen kann. Dadurch lässt sich laut den Forschenden ein Großteil des Gewichts typischer Primärbatterien einsparen.

Totgewicht von CFx-Batterien mehr als halbiert

In einer herkömmlichen CFx-Batterie, wie sie in Herzschrittmachern zum Einsatz kommt, sind diese Elektrolyte chemisch inaktiv. Das bedeutet, dass etwa 50 Prozent der Hauptkomponenten der Batterie, vor allem der Elektrolyt, aus inaktivem Material bestehen und somit totes Gewicht darstellen. Bei der neuen Konstruktion mit dem fluorierten Katholytmaterial konnten die MIT-Wissenschaftler der Anteil des Totgewichts  auf etwa 20 Prozent reduzieren.

Zwar gibt es neben dieser neuen Verbindung auch andere Materialien, die theoretisch eine ähnliche Rolle als Katholyt in einer Hochleistungsbatterie spielen könnten, doch haben diese Materialien niedrigere Eigenspannungen, die nicht mit denen des restlichen Materials in einer herkömmlichen Schrittmacherbatterie übereinstimmen. Da die Gesamtleistung der Batterie nicht höher sein kann als die des schwächeren der beiden Elektrodenmaterialien, würde die zusätzliche Kapazität aufgrund der Spannungsinkongruenz verpuffen. Der Hauptvorteile der fluorierten Katholyt-Flüssigkeit ist, dass ihre Spannung sehr gut mit der von CFx übereinstimmt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die neuen Zellen auch eine höhere Sicherheit beiten, da keine giftigen oder korrodierenden Katholytmaterial verwendet werden müssen. Noch forscht das MIT, um die Energiedichte wie prognostiziert um 50 Prozenz zu erhöhen. Das Design der Zelle selbst ist noch nicht vollständig optimiert, aber die Forscher konnten die Leistung der Zelle bereits um 20 Prozent erhöhen. »Wir können sehen, dass die prognostizierte Leistung auf Zellebene, wenn sie vergrößert wird, etwa 50 Prozent höher sein kann als die der CFx-Zelle", sagt Professorin Betar Gallant aus der Forschungsgruppe. Dieses Niveau experimentell zu erreichen, ist das nächste Ziel des Teams.

Einfacher Ersatz in der Batterie-Fertigung

Ein großer Vorteil des neuen Materials sei, dass es leicht in bestehende Batterieherstellungsprozesse integriert werden kann. Erste Gespräche mit Herstellern bestätigen eine einfache Substitution. Die Produktion des Ausgangsmaterials wurde vorsorglich bereits aufgestockt, sein Preis ist vergleichbar mit dem der derzeit in CFx-Batterien verwendeten Materialien. Die Kosten von Batterien, die das neue Material verwenden, dürften damit ebenfalls mit denen der bestehenden Batterien vergleichbar sein. Das Team hat bereits ein Patent auf den Katholyten angemeldet und geht davon aus, dass die medizinischen Anwendungen die ersten sein werden, die kommerziell verwertet werden, vielleicht mit einem vollwertigen Prototyp, der innerhalb eines Jahres in realen Geräten getestet werden kann. (uh)


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