Modellhafte Darstellung einer auf einem Silizium-Wafer integrierten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie als Energieversorger. Zwischen den Kontakten sind die Kupfer-Silicid-Anode (unten), ein Festkörperelektrolyt aus einem hybriden Keramik-Polymer und die Kathode aus Lithiumeisenphosphat (oben) angeordnet.
Visualisierung: B. Schröder für das HZDR
Forscher wollen winzige Festkörper-Energiespeicher direkt auf den Wafern erzeugen
Dresden, 27. September 2023. Damit Sensoren auf dem Felde, elektronisch aufgewertete Textilien oder Körperimplantate künftig ohne Stromkabel für ihre Energieversorgung auskommen, entwickeln sächsische Forscher derzeit neuartige Akkus, die sich direkt in die Computerchips integrieren lassen. Das hat das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mitgeteilt, das gemeinsam mit dem Dresdner Fraunhofer-Zentrum Assid, der Bergakademie Freiberg und dem Mikrointegrations-Fraunhoferinstitut IZM aus Berlin an den neuartigen Energiespeichern auf Festkörper-Lithium-Basis arbeitet.
Dezentrale Stromversorgung für Hightech-Klamotten und Implantate
„Sensorchips, Wearables oder medizinische Implantate der Zukunft, aber auch im Internet der Dinge eingebettete Geräte benötigen eine autonome und miniaturisierte Energieversorgung“, erklärt Projektleiter Dr. Charaf Cherkouk vom HZDR- Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. Geplant sei dafür eine „neuartige, kosteneffiziente, direkt auf einem Silizium-Wafer integrierte Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie“.
Neuer Schichtaufbau für Elektroden soll für hohe Energiedichte und Haltbarkeit sorgen
Um klassische Knopfzellen oder Stromkabel zu ersetzen, wollen die Partner im Zuge des Projektes „FKLIB“ mikroskopisch kleine Energiespeicher direkt auf 200 und 300 Millimeter großen Siliziumscheiben (Wafer) erzeugen, wie sie auch für die Chip- und Sensorproduktion im Einsatz sind. So hat sich das HZDR-Team um Charaf Cherkouk auf winzige Anoden spezialisiert, die aus Schichten aus Silizium und Kupfersilizid bestehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Anoden aus Graphit sei damit die fünffache Kapazität und eine 40 Prozent höhere Energiedichte im Vergleich zu bisher üblichen Lithium-Akkus erreichbar, haben die Helmholtz-Forscher in Laborversuchen herausgefunden. Eine kobaltfreie Kathode wollen die Projektpartner aus Lithiumeisenphosphat erzeugen.
Feste Keramik-Hybridelektrolyte statt Batterie-Flüssigkeit
Und statt auf flüssige Elektrolyte setzen sie auf feste Elektrolyte aus einem hybriden Keramik-Polymer. Damit wollen die Forscher auch die Brandgefahr und andere altbekannten Probleme herkömmlicher Lithium-Ionen-Flüssigbatterien beseitigen. Das ist auch ein wesentlicher Unterschied zu bisherigen Mikroakkus, die das Fraunhofer-IZM zuvor bereits für die Produktion auf Wafern entwickelt hatte: Dort mussten die flüssigen Elektrolyte noch mühsam auf den Siliziumscheiben eingefüllt werden – das fällt mit dem Festkörper-Ansatz demnächst weg.
Hitzeschock per Blitzlampe
Erzeugen wollen die Forscher ihre neuen Mikroakkus in einer Kombination aus Dünn- und Dickschicht-Technologie sowie Drucktechniken und Blitzlampenausheilung. „Die Nutzung der energie- und ressourcensparenden Blitzlampenausheilung für die Herstellung von Silicium-basierten Anoden ist ein weiteres Beispiel für einen gelungenen Technologietransfer zu industrienahen Anwendungen,“ betont Dr. Lars Rebohle vom „Blitzlab“ am HZDR.
Das Assid wiederum hat Erfahrungen mit der dreidimensionalen Mikrostrukturierung auf Wafern. Außerdem kennen die Fraunhofer-Ingenieure mehrere Verfahren, um künftig Hunderte der mikroskopisch kleinen Akkus auf den Wafern per Säge, Laser oder Chemie voneinander zu trennen. Und die Freiberger sind im Projekt für die Röntgenanalyse der kleinen Energiespeicher zuständig.
Varta und Infineon im Industriebeirat
„Am Ende des Projekts soll der Demonstrator einer integrierten Chip-Batterie für Einsatzgebiete im Bereich integrierter Schaltkreise und Sensorsysteme stehen“, kündigt Charaf Cherkouk an. Zum Wirtschaftsbeirat des Projekts gehören beispielsweise Varta, Infineon und die sächsische Litronik Batterietechnologie GmbH – ein Indiz dafür, dass die Industrie einiges Interesse an den neuen Mikro-Chipakkus hat.
Autor: hw
Quelle: HZDR
Ihre Unterstützung für Oiger.de!
Ohne hinreichende Finanzierung ist unabhängiger Journalismus nach professionellen Maßstäben nicht dauerhaft möglich. Bitte unterstützen Sie daher unsere Arbeit! Wenn Sie helfen wollen, Oiger.de aufrecht zu erhalten, senden Sie Ihren Beitrag mit dem Betreff „freiwilliges Honorar“ via Paypal an:
Vielen Dank!
Du muss angemeldet sein, um einen Kommentar zu veröffentlichen.