Faszination Technik Forscher entwickeln Akkus für kleinste Dimensionen

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Fsas Technologies GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein Miniaturstromspeicher für den neuen Rechneralltag.

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat erste Einblicke in seine Arbeit an an einer neuartigen, direkt auf einem Siliciumwafer integrierbaren Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie gewährt. Laut einer Mitteilung will das HZDR gemeinsam mit seinen Partnern kleinste elektronische Komponenten wie Sensorchips, Wearables oder medizinische Implantate so mit Strom versorgen.

Die Forscher setzen dabei auf neuartige Kernkomponenten des Mikroakkus: eine Kupfer-Silicid-Anode mit dreidimensionaler Struktur, die besonders stabile Lade- und Entladezyklen und im Vergleich zu herkömmlichen Mikrobatterien deutlich höhere Kapazitäten ermöglicht, sowie ein Festkörperelektrolyt aus einem hybriden Keramik-Polymer.

Das neue Konzept soll gleich mehrere Vorteile bieten. Der Verzicht auf eine reine Lithium-Elektrode verhindere etwa eine frühzeitige Ausbildung von Dendriten, so die Forscher. Dabei handelt es sich um bäumchenartige Strukturen, die als Folge von Kristallisationsprozessen an der Grenzfläche zum Elektrolyten entstehen und eine Leistungseinbuße des Elektrodenmaterials zur Folge haben. Darüber hinaus soll eine kobaltfreie Kathode aus Lithiumeisenphosphat eine frühzeitige Verringerung der Speicherkapazität verhindern.

Kapazität um das Fünffache gesteigert

Im Projekt selbst kümmert sich das HZDR-Team um das Anodenmaterial. Die Forscher konnten mit einer Kupfer-Silicid-Anode die Kapazität um das Fünffache steigern und die Energiedichte der Batteriezelle um 40 Prozent erhöhen. Das Team des Fraunhofer IZM-ASSID konnte Lithium-Ionen-Mikrobatterien mittels Silicium-Wafer-Technologien entwickeln und in Kleinserien für Industriekunden herstellen. Die Forscher wollen hierbei Festkörperelektrolyte verwenden, da diese neben einer vergleichsweise einfacheren Handhabung sehr geringe Grenzflächenwiderstände und eine hohe Zyklenfestigkeit aufweisen.

Für die Fertigung der Batterien nutzen die Forscher laut eigenen Angaben Methoden der Dünnschichtabscheidung in Verbindung mit Dickschicht- und Drucktechniken sowie der Blitzlampenausheilung. Letztere ist der thematische Schwerpunkt des Helmholtz Innovation Labs „Blitzlab“ am HZDR. Am Fraunhofer IZM-ASSID arbeiten die Forschenden hingegen an der Mikrostrukturierung mit Strukturgrößen von bis zu einem Mikrometer. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich hierbei sowohl um Nichtleiter als auch um Metalle.

Als Substrate dienen Silicium und Glas verschiedener Dicken bei Wafergrößen von 200 und 300 Millimetern. Die Prozesslinie ist insbesondere auf eine fertigungsnahe und industriekompatible Entwicklung und Prozessierung ausgerichtet. „Am Ende des Projekts soll der Demonstrator einer integrierten Chip-Batterie für Einsatzgebiete im Bereich integrierter Schaltkreise und Sensorsysteme stehen. Solche Systeme sind für ihre Energieversorgung bisher auf Add-On-Chip-Lösungen angewiesen“, sagt Charaf Cherkouk, Leiter und Koordinator des Projekts vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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