Computer werden immer kleiner, man denke nur an das Smartphone oder Smartwatches – und der Trend zur Miniaturisierung setzt sich fort. Im Extremfall müssen winzige sowie smarte mikroelektronische Geräte wie beispielsweise Medizinroboter oder Sensorchips im Körper eines Menschen mit Strom versorgt werden. Das funktioniert nur mit Batterien im Submillimeter-Bereich, die kleiner sind als ein Salzkorn. Und hier vermeldet die TU Chemnitz (TUC) nun einen Durchbruch.
Kleinster Akku der Welt
In der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Advanced Energy Materials stellen Prof. Oliver G. Schmidt und Dr. Minshen Zhu vom TUC-Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) die mit Abstand kleinste Batterie der Welt vor. "Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im Sub-Quadratmillimeter-Maßstab", sagt Zhu. Schmidt fügt hinzu: "Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotential für diese Technologie, somit ist in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen."
Die Herstellung winziger Batterien unterscheidet sich laut den beiden leitenden Forschern gravierend von ihren aus dem Alltag bekannten Pendants. So werden kompakte Batterien mit hoher Energiedichte wie Knopfzellen mittels Nasschemie hergestellt. Elektrodenmaterialien und Zusatzstoffe (Kohlenstoffmaterialien und Bindemittel) werden zu einer Aufschlämmung verarbeitet und auf eine Metallfolie aufgetragen. On-Chip-Mikrobatterien, die mit solchen gängigen Technologien hergestellt werden, können zwar eine gute Energie- und Leistungsdichte liefern, haben aber eine Grundfläche von deutlich mehr als einem Quadratmillimeter. Kurz gesagt: Die Batterien haben nicht genug Leistung und benötigen zu viel Platz.
Die Batterie ist kleiner als ein Salzkorn und kann in großen Stückzahlen hergestellt werden. © TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden
Tesla-Verfahren adaptiert
Das Ziel des Forschungsteams war es daher, eine Batterie zu entwerfen, die direkt in einen Chip integriert werden kann, deutlich weniger als einen Quadratmillimeter Platz in Anspruch nimmt und eine Mindest-Energiedichte von 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter besitzt.
Dazu hat das Forschungsteam das Aufwickeln von Leiter- und Elektrodenbändern – das Verfahren nutzt zum Beispiel auch Tesla bei der Herstellung der Akkus für seine Elektroautos – auf die Mikroskala übertragen. Hier kommt das sogenannte "Swiss-Roll" beziehungsweise "Mikro-Origami-Verfahren" zum Einsatz. Durch das abwechselnde Aufbringen einiger weniger dünner Lagen aus polymerischen, metallischen und dielektrischen Materialien auf einer Wafer-Oberfläche entsteht ein unter Spannung stehendes Schichtsystem. Diese mechanische Verspannung kann durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden, sodass sich die Schichten von selbst zu einer Swiss-Roll-Architektur aufrollen. Es müssten also keine externen Kräfte aufgewendet werden, um die gewickelten Batterien zu erzeugen. Das Verfahren sei kompatibel mit etablierten Methoden der Chip-Industrie und daher in der Lage, Batterien in großer Stückzahl auf einer Wafer-Oberfläche zu erzeugen, so Schmidt und Zhu.
Neue Einsatzmöglichkeiten
Mit dieser Methode hat das Team um Schmidt und Zhu aufladbare Mikrobatterien im tiefen Submillimeter-Maßstab hergestellt, die die weltweit kleinsten Computerchips für etwa zehn Stunden mit Energie versorgen können sollen – zum Beispiel um die lokale Umgebungstemperatur kontinuierlich zu messen. Diese winzige Batterie habe ein großes Potenzial für zukünftige mikro- und nanoelektronische Sensorik und Aktorik in Bereichen des Internets der Dinge, der miniaturisierten medizinischen Implantate, der Mikrorobotik und der ultra-flexiblen Elektronik. Bisher setzten sogenannte "Smart Dust"-Sensoren eher auf "Harvesting", wo mithilfe winziger Generatoren Strom aus Wärme, Licht oder Vibration erzeugt wird. Solche Systeme seien allerdings nicht überall einsetzbar, weshalb die Mikrobatterie neue Einsatzmöglichkeiten biete. (ts)
www.tu-chemnitz.de
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