Energiespeicher soll Mikroroboter und „klugen Staub“ antreiben

Chemnitz/Dresden, 20. Februar 2022. Um künftig zum Beispiel winzige Medizinroboter und Sensorchips im Körper eines Menschen mit Strom zu versorgen, haben Forscher der Technischen Universität Chemnitz (TUC) nun die – laut eigenen Angaben – kleinste Batterie der Welt gebaut. Dabei setzen sie ein Origami-Verfahren ein, das auch in klassischen Chipfabriken einsetzbar ist und bei dem sich dünne Elektrodenbänder von selbst zu die winzig kleinen Energiespeicher aufrollen. Das haben Prof. Oliver G. Schmidt und Dr. Minshen Zhu vom TUC-Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) mitgeteilt, die die Entwicklung geleitet haben.

Gefaltete Lagen rollen sich auf Wafer zu Batterien auf

Konkret hatten die Wissenschaftler dünne Polymer-, Metall- und dielektrische Lagen auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe (Wafer) so übereinandergestapelt. Weil diese Schichten unter Spannung stehen, brauchen sie am Ende des Aufbauprozesses nur noch einen kleinen Auslöseimpuls und sie rollen sich zu Energiespeicher-Strukturen zusammen.

Energiedichte von 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter erzielt

Die Chemnitzer haben mit diesem Verfahren Batterien erzeugen können, die weniger als einen Quadratmillimeter groß sind und über 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter speichern können. Laut TUC können diese Batterien kleine Mikrochips beziehungsweise Temperatur-Messsensoren etwa zehn Stunden lang mit Energie versorgen.

Noch stärkere Mikroakkus zu erwarten

„Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im Sub-Quadratmillimeter-Maßstab“, schätzt Dr. Minshen Zhu ein. Allerdings betonte sein Chef Prof. Schmidt auch: „Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotenzial für diese Technologie, so dass in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen ist.“

Alternative zum Energy Harvesting

Zuvor hatten Schmidt und seine Teams in Dresden und Chemnitz bereits den weltweit kleinsten steuerbaren Roboter gebaut. Solche Roboter könnten künftig beispielsweise als winzige Medizinfrachter in den menschlichen Blutbahnen navigieren und Arzneien genau zu den gewünschten Punkten transportieren oder bei der Krebsvorsorge zum Einsatz kommen. Um Sensoren und Elektronik an Bord anzutreiben, würden allerdings entweder Systeme gebraucht, die Energie aus Strömungen, Schwingungen oder Licht ernten („Energy Harvesting“), oder eben eine winzige und doch leistungsfähige Batterie haben. Letztere Lösung ist zum Beispiel im menschlichen Körper sinnvoll, wo Solarzellen mangels Licht keinen Strom liefern können. Die neue Mikrobatterie soll aber nicht nur solche Kleinstroboter antreiben, sondern auch andere Mikrosensoren und besonders kleine, autonom agierende Elektronikbausteine, die manche Ingenieure auch als „Smart Dust“ (kluger Staub) bezeichnen.

An der neuen Mikro-Batterie waren neben der TUC auch das Leibniz-Institut für Festkörperforschung (IFW) Dresden und des Changchun Institut für Angewandte Chemie beteiligt. Die Partner haben ihre Ergebnisse nun im Journal „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht.

Autor: hw

Quelle: TUC

Wissenschaftliche Publikation:

Minshen Zhu, Oliver G. Schmidt et al. On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers. Advanced Energy Materials (02/2022), DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202103641

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