Kleiner als ein Salzkorn: Gerollte Mikrobatterien könnten künftig Computer im Miniaturformat effektiver mit Energie versorgen. Die Akkus aus eingerollten Dünnschichtelektroden sind kleiner als ein Quadratmillimeter groß, lassen sich in Chips integrieren und haben eine Energiedichte von mehr als 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter. Diese Technologie könnte damit selbst Computer im Submillimeter-Bereich mit Strom versorgen, wie das Forschungsteam berichtet.
Die Miniaturisierung von Computern und anderer Elektronik ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass die Stromversorgung solcher Mikrosensoren, implantierbaren Minigeräte oder „Smart Dust“-Computer zum limitierenden Faktor für die weitere Miniaturisierung geworden ist. Denn gängige Akkus können nicht unbegrenzt verkleinert werden. Die bisher für den On-Chip-Betrieb ausgelegten Batterien in Form von gestapelten oder in den Halbleiter eingebrachten Dünnschichtelektroden benötigen mehr als einen Quadratmillimeter Platz und haben oft nicht genug Leistung.
Gerollt statt gestapelt
Doch es geht auch anders: Wissenschaftler unter Leitung von Oliver Schmidt von der Technischen Universität Chemnitz haben eine neue Methode ausprobiert, um Mikrobatterien für Computerchips zu erzeugen. Dafür wandelten sie eine schon vom Autobauer Tesla für seine Akkus eingesetzte Strategie ab: „Bei normalgroßen Batterie lässt sich eine hohe Leistungsdichte erreichen, indem man einen flachen Batteriestapel zu einer Rolle formt“, erklären die Forscher.
Dabei kommt das sogenannte „Swiss-Roll“ oder „Mikro-Origami-Verfahren“ zum Einsatz. Durch das abwechselnde Aufbringen einiger weniger dünner Lagen aus polymerischen, metallischen und dielektrischen Materialien auf einer Wafer-Oberfläche entsteht ein unter Spannung stehendes Schichtsystem. Wenn diese Lagen dann vom Substrat abgelöst werden, rollen sie sich von selbst zu einer Rolle zusammen.
Im Falle normalgroßer Akkus lässt sich die Leistungsdichte damit um das 28-Fache erhöhen: Von rund fünf Milliamperestunden pro Quadratzentimeter auf rund 140, wie das Team erklärt.
Genug Strom für „Smart Dust“-Computer
Schmidt und sein Team haben nun diese Methode genutzt, um eine solche Rollen-Batterie im Mikromaßstab herzustellen. Sie besteht aus einer Zink-Anode und einer Silber-Kathode in einem alkalischen Elektrolyten und ist aufgerollt nur 0,7 bis 0,8 Millimeter groß. Dennoch erreicht die Submillimeter-Rolle eine Energiedichte von bis zu 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter, wie Schmidt und seine Kollegen berichten.
Die Leistung der Mikrobatterie reicht aus, um die kleinsten gängigen Computerchips für etwa zehn Stunden mit Energie zu versorgen – zum Beispiel um die lokale Umgebungstemperatur kontinuierlich zu messen. Dies sei die mit Abstand kleinste in einen Chip integrierbare Batterie der Welt, von der es einen funktionsfähigen und anwendungsnahen Prototypen gebe, so das Team. Das Verfahren ist zudem kompatibel mit etablierten Methoden der Chip-Industrie und daher in der Lage, Batterien mit hohem Durchsatz auf einer Wafer-Oberfläche zu erzeugen.
„Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im Sub-Quadratmillimeter-Maßstab“, sagt Koautor Minshen Zhu von der TU Chemnitz.
Noch weiter optimierbar
Nach Ansicht der Forscher haben solche gerollten Miniaturbatterien großes Potential für zukünftige mikro- und nanoelektronische Sensorik und Aktorik beispielsweise bei medizinischen Implantaten, der Mikrorobotik und der ultra-flexiblen Elektronik. Zudem ließe sich ein solcher Mikro-Akku auch als Backup für Stromsammler im Mikromaßstab aus piezo- oder triboelektrischen Generatoren nutzen.
„Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotential für diese Technologie, so dass in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen ist“, sagt Schmidt. (Advanced Energy Materials, 2022; doi: 10.1002/aenm.202103641)
Quelle: Technische Universität Chemnitz
