kundenprojekt
Die kleinste Batterie der Welt: Kleiner als ein Salzkorn Dank einer besonderen «Falttechnik» ist es Wissenschaftlern der Technischen Universität Chemnitz gelungen, die bisher kleinste Batterie herzustellen. Diese winzige Batterie könnte künftig in medizinischen Implantaten zum Einsatz kommen. Das Potenzial ist im Gegensatz zur Batterie riesig. Computer werden immer kleiner, man denke nur an das Smartphone oder Smartwatches – und der Trend zur Miniaturisierung setzt sich fort. Im Extremfall verlangen winzige smarte mikroelektronische Geräte – sogenannte «Smart-Dust-Anwendungen» – wie beispielsweise biokompatible Sensoriken im Körper nach noch viel kleineren Computern und Batterien im Submillimeter-Bereich. Das sind Systeme, die kleiner sind als ein Staubkorn. Diese Entwicklung wurde bisher vor allem von zwei Faktoren gebremst – vom Grössenunterschied zwischen Mikroelektronik sowie der für einen autonomen Betrieb nötigen Mikrobatterie auf der einen Seite und von der Herstellung einer solchen Batterie nach möglichst platz- und ressourcenschonenden Kriterien auf der anderen Seite. Im renommierten und vielzitierten Fachjournals «Advanced Energy Materials» stellen Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nano membranen (Main) an der Technischen Universität Chemnitz, Dr. Minshen Zhu, der am Forschungszentrum Main arbeitet, gemeinsam mit Forschenden des LeibnizInstitut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden sowie des Changchun-Instituts für Angewandte Chemie eine Lösung für diese Herausforderungen vor. Sie zeigen, wie batteriebetriebene Smart-Dust-Anwendungen im Submillimeter-Bereich realisierbar sind und präsentieren die mit Abstand kleinste Batterie der Welt als funktionsfähigen und anwendungsnahen Prototypen. «Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im SubQuadratmillimeter-Massstab», sagt Zhu und Schmidt fügt hinzu: «Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotenzial für diese Technologie, so dass in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen ist.»
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Die kleinste Batterie der Welt kann in grossen Stückzahlen auf einer Wafer-Oberfläche herge stellt werden. (Grafik: TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden)
Jenseits der Grenzen der Miniaturisierung Die Energie für den Betrieb winziger Computer im Submillimeterbereich kann entweder durch die Entwicklung ent sprechender Batterien oder durch «Harvesting»-Verfahren zur Energiegewinnung und Umwandlung bereitgestellt werden. Im Bereich des «Harvestings» wandeln beispielsweise mikrothermoelektrische Generatoren Wärme in Elektrizität um, aber ihre Ausgangsleistung ist zu gering, um staubgrosse Chips anzutreiben. Mechanische Vibrationen sind eine weitere Energiequelle für die Energieversorgung von Geräten im winzigen Massstab. Am vielversprechendsten sind kleine Photovoltaik- und Solarzellen, die Licht in elektrische Energie auf kleinen Computerchips umwandeln. Licht und Vibrationen stehen aber nicht zu jeder Zeit an jedem Ort zur Verfügung, so dass ein bedarfsgesteuerter Betrieb in vielen Umgebungen unmöglich ist, so zum Beispiel auch im menschlichen Körper, wo winzige Sensoren und Aktuatoren eine kontinuierliche Stromversorgung benöti-
gen. Leistungsstarke Mini-Batterien würden dieses Problem lösen. Die Herstellung winziger Batterien unterscheidet sich allerdings 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 Tech-
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier in der Erforschung und Entwicklung extrem kleiner, formbarer und flexibel einsetzbarer Mikroro botik. Im Bild hält er eine ultra-flexible, mik roelektronische Folie. (Bild: TU Chemnitz)
contamination control report
1/2022
