Kleinster gerollter Akku der Welt: Mini-Batterie betreibt Computer in Staubkorngröße

Für diverse Einsatzzwecke werden immer öfter auch sehr kleine Computer benötigt. Diese müssen natürlich auch mit Energie versorgt werden. ForscherInnen der Technischen Universität Chemnitz ist es nun gelungen, eine gerollte Mikrobatterie zu entwickeln, die selbst Computer im Submillimeter-Bereich mit Strom versorgen kann.

Batterien: Gerollt statt gestapelt

Im Bereich kleiner Computer und weiterer Elektronik ist die Miniaturisierung inzwischen derart fortgeschritten, dass die Stromversorgung der Bauteile zum limitierenden Faktor wird. Herkömmliche Akkus lassen sich nicht unbegrenzt verkleinern. Bisherige Varianten benötigen in der Regel mehr als einen Quadratmillimeter Raum und haben häufig nicht ausreichend Leistung.

Dass das nicht so bleiben muss, hat ein Team unter der Leitung von Oliver Schmidt von der Technischen Universität Chemnitz gezeigt. Die ForscherInnen haben eine neue Methode getestet, um Mikrobatterien herzustellen. Die Strategie, die sie dafür einsetzen, wird auch vom Autobauer Tesla genutzt, wenn auch in deutlich größerem Maßstab: „Bei normalgroßen Batterie lässt sich eine hohe Leistungsdichte erreichen, indem man einen flachen Batteriestapel zu einer Rolle formt„, so das Team.

Die Methode, die dafür zum Einsatz kommt, wird als „Swiss-Roll“ oder „Mikro-Origami-Verfahren“ bezeichnet. Dabei werden einige dünne Lagen aus polymerischen, metallischen und dielektrischen Materialien abwechselnd auf eine Wafer-Oberfläche aufgebracht. Dadurch entsteht ein unter Spannung stehendes Schichtsystem. Nachdem die Lagen dann vom Substrat abgelöst werden, rollen sie sich von Selbst zu einer Rolle zusammen. Bei normalgroßen Akkus wird die Leistungsdichte durch diese Methode um den Faktor 28 erhöht.

Mikrobatterie mit großem Potential

Unter Einsatz dieser Methode haben Schmidt und sein Team nun eine Rollen-Batterie im Mikromaßstab konstruiert. Im aufgerollten Zustand ist sie nur 0,7 bis 0,8 Millimeter groß. Die Batterie besteht aus einer Zink-Anode und einer Silber-Kathode und erreicht eine Energiedichte von 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter.

Mit der Leistung der Mikrobatterie können die kleinsten gängigen Computerchips für eine Dauer von 10 Stunden mit Energie versorgt werden. Es handele sich um die mit Abstand kleinste in einen Chip integrierbare Batterie der Welt, von der es einen anwendungsnahen Prototyp gibt, so die ForscherInnen. Außerdem ist das Verfahren, das bei der Herstellung zum Einsatz kam, ist außerdem mit etablierten Methoden der Chip-Industrie kompatibel.

„Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im Sub-Quadratmillimeter-Maßstab„, freut sich Koautor Minshen Zhu von der TU Chemnitz.

Aus Sicht der WissenschaftlerInnen haben Batterien wie die ihre im Bereich mikro- und nanoelektronischer Sensorik und Aktorik großes Potential. Die Mikro-Akkus lassen sich etwa auch als Backup für Mikro-Stromsammler aus piezo- oder triboelektrischen Generatoren einsetzen. „Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotential für diese Technologie, so dass in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen ist„, so Schmidt.

TU Chemnitz