Mikrobatterien direkt im Chip
Immer mehr kleine smarte Geräte benötigen eine Stromversorgung. Häufig beanspruchen diese Akkus jedoch viel Platz, was den Formfaktor der Geräte entscheidend beeinflusst und sie unhandlich werden lässt. Können spezielle Mikrobatterien das ändern?
Foto: B.Schröder / HZDR
Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Fraunhofer-Instituts All Silicon System Integration Dresden (ASSID), des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin und der TU Bergakademie Freiberg entwickeln eine neuartige Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, die sich direkt auf einem Siliciumwafer integrieren lassen soll. Damit soll es möglich sein, selbst kleinste elektronische Komponenten mit Strom zu versorgen. „Sensorchips, Wearables oder medizinische Implantate der Zukunft, aber auch im Internet der Dinge eingebettete Geräte benötigen eine autonome und miniaturisierte Energieversorgung“, sagt Charaf Cherkouk, Leiter und Koordinator des Projekts vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR.
Mikrobatterien: Geeignetes Material entscheidend
Um das zu realisieren, galt es zunächst eine geeignete Materialkombination zu finden. Sie musste nicht nur die Anforderungen an einen kompakten Formfaktor bei hoher Energiedichte und vielen Lade-/Entladezyklen erfüllen, sondern sollte auch direkt auf die Waferstruktur – das Herzstück eines Chips – integrierbar sein. Zum Einsatz kommt daher eine Kupfer-Silicid-Anode, die besonders stabile Lade- und Entladezyklen und im Vergleich zu herkömmlichen Mikrobatterien deutlich höhere Kapazitäten ermöglichen soll. Außerdem wird ein Festkörperelektrolyt aus einem hybriden Keramikpolymer verwendet. Nicht zuletzt, um die Problematik der Arbeit mit einem flüssigen Elektrolyt bei der Waferfertigung zu vermeiden – und die damit verbundenen Risiken, Mikrostrukturen zu beschädigen.
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Cherkouk führt die Vorteile des Konzepts so aus: „Damit adressieren wir gängige Probleme von Flüssigelektrolyten in herkömmlichen Lithium-Ionen-Flüssigbatterien, etwa ihre hohe Entflammbarkeit, die Gefährdung durch toxische Bestandteile und die geringe Temperaturbeständigkeit.“
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Leistungseinbußen verhindern
Der Verzicht auf eine reine Lithium-Elektrode verhindert zudem eine frühzeitige Ausbildung von sogenannten Dendriten, die eine Leistungseinbuße des Elektrodenmaterials zur Folge haben. Darüber hinaus soll eine kobaltfreie Kathode aus Lithiumeisenphosphat eine frühzeitige Verringerung der Speicherkapazität verhindern. Das Ergebnis der Forschung ist eine direkt auf einem Siliziumwafer integrierte Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie (FKLIB).
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Partner für Mikrobatterie gesucht
„Am Ende des Projekts soll der Demonstrator einer integrierten Chipbatterie für Einsatzgebiete im Bereich integrierter Schaltkreise und Sensorsysteme stehen. Solche Systeme sind für ihre Energieversorgung bisher auf Add-on-Chiplösungen angewiesen“, so Cherkouk. Nun suchen die Forschenden Partner. Denkbar sind neben großen Batterieherstellern auch Produzenten von Sensorsystemen und Komponenten für die Medizintechnik.
