Viel Power auf kleinstem Raum: Forscher haben eine neuartige Batterie entwickelt, die bisherige Probleme bei der Miniaturisierung dieser Energiespeicher löst. Die aus wechselnden Schichten bestehende Batterie formt sich quasi wie von selbst und bringt schnell eine hohe Leistung. Dies könnte sie auch für den Einsatz in den winzigen Sensorsystemen des „smart Dust“ prädestinieren, wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ berichten.
Ohne Batterien startet kein Auto, kein Handy oder Notebook. Und auch Herzschrittmacher und Hörgeräte stellen ohne sie ihren Dienst ein. Batterien und Akkus versorgen unsere mobile Welt mit der notwendigen Energie. Doch noch immer ist ihre Leistung sehr begrenzt, immer kleinere und stärkere Energiespeicher werden daher gesucht. Eine handelsübliche Batterie besteht aus zahlreichen, aufgewickelten Schichten, zwischen denen der Elektronenaustausch stattfindet. Doch genau hier liegt das Problem: Denn durch diesen Aufbau lassen sich bisher Batterien nur begrenzt verkleinern, das Aufwickeln der Lagen funktioniert nur auf makroskopischer Ebene.
Schichten statt wickeln
Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz und des Leibniz- Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden), haben nun eine Lösung entwickelt, die diese Begrenzung in der Miniaturisierung aufhebt. Statt die Schichten aufzuwickeln tragen die Forscher abwechselnd dünne Lagen aus metallischen und dielektrischen Materialien auf eine flache Unterlage auf. Dadurch entsteht ein Schichtsystem, das in sich hoch verspannt ist. Diese mechanische Verspannung kann durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden, so dass sich die Schichten von selbst zu einem ultrakompakten Energiespeicher aufrollen.
Einfache Technik – doppelte Leistung
„Dadurch lassen sich extrem kompakte Energieeinheiten fertigen, die eine enorme Energie pro Fläche auf einem Chip speichern können, mehr als zweimal so viel wie mit herkömmlichen Technologien“, erklärt Oliver G. Schmidt, Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz. „Und das Beste ist: Der Herstellungsprozess ist extrem einfach und funktioniert fast von selbst. Hier wird in schönster Weise die so genannte Selbstorganisation mit produktionsreifen Technologien verbunden.“
„Wir verwenden dafür hybride Materialien“, berichtet Carlos Cesar Bof Bufon von der Chemnitzer
Forschergruppe – es können also unterschiedliche Werkstoffe verbunden werden, etwa Metalle und Isolatoren, aber auch organische Stoffe wie Polymere oder ultradünne Moleküllagen. „Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit enorm. Die Energiespeicher können deshalb auch bei Anwendungen eingesetzt werden, wo schnell viel Leistung gefragt ist, etwa für winzige Elektromotoren.“ Verwendet werden könnten die Mini- Batterien auch für die lokale Energieversorgung von Silizium-Chips oder für den Antrieb von autonomen Systemen, wie kleinen Robotern.
Batterien für „smart Dust“-Anwendungen
Eine Vision ist der Einsatz im so genannten smart dust – dem intelligenten Staub. Das sind winzige Sensorsysteme, die zum Beispiel zur Temperaturmessung in Wirbelstürmen eingesetzt werden können. Oder sie gehen mit Zugvögeln auf den Weg Richtung Süden und verfolgen den Temperaturverlauf auf der Reise. „Wenn die Sensorsysteme nicht größer sind als Staubkörner, darf natürlich auch die Energieversorgung nicht groß sein“, sagt Schmidt. Bis zur Anwendungsreife seien es noch rund fünf Jahre, schätzt der Wissenschaftler. Ideen für die Weiterentwicklung bestehen auch bereits: So könnte ein Draht direkt als Spule mit in den Energiespeicher eingewickelt werden, sodass ein miniaturisierter Schwingkreis entsteht.
(Technische Universität Chemnitz, 05.08.2010 – NPO)
