Faszination Technik Wie Mikrobatterien für staubkorngroße Computer entstehen

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: das auf die Mikroskala übertragene Swiss-Roll-Verfahren zur Herstellung von On-Chip-Batterien.

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Die kleinste Batterie der Welt ist kleiner als ein Salzkorn (1 mm³) und kann im Submillimeter-Maßstab in großen Stückzahlen auf einer Wafer-Oberfläche hergestellt werden.
Die kleinste Batterie der Welt ist kleiner als ein Salzkorn (1 mm³) und kann im Submillimeter-Maßstab in großen Stückzahlen auf einer Wafer-Oberfläche hergestellt werden.
(Bild: IFW Dresden/TU Chemnitz)

Computer werden immer kleiner und der Trend zur Miniaturisierung setzt sich fort. Heute sind es Smartphones oder Smartwatches. In Zukunft werden es winzige smarte mikroelektronische Geräte – sogenannte Smart-Dust-Anwendungen – wie z.B. biokompatible Sensoriken im Körper sein. Diese Systeme sind kleiner als ein Staubkorn und benötigen Batterien im Submillimeter-Bereich. Bisher wurde ihre Entwicklung von zwei Faktoren gebremst: vom Größenunterschied zwischen der Mikroelektronik sowie der für einen autonomen Betrieb nötigen Mikrobatterie auf der einen Seite und von der Herstellung einer solchen Batterie nach möglichst platz- und ressourcenschonenden Kriterien auf der anderen Seite.

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der Technischen Universität Chemnitz, hält eine flexible Mikroelektronik in der Hand, die mit einer Vielzahl der entwickelten winzigen Batterien bestückt werden kann.
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) an der Technischen Universität Chemnitz, hält eine flexible Mikroelektronik in der Hand, die mit einer Vielzahl der entwickelten winzigen Batterien bestückt werden kann.
(Bild: TU Chemnitz)

Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz, des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung und des Changchun Instituts für Angewandte Chemie haben nun eine Lösung gefunden und stellen sie im Fachjournal „Advanced Energy Materials“ vor. Sie zeigen, wie batteriebetriebene Smart-Dust-Anwendungen im Submillimeter-Bereich realisierbar sind und präsentieren die nach eigenen Angaben kleinste Batterie der Welt als funktionsfähigen und anwendungsnahen Prototypen.

Gängige Technologien liefern zu große Batterien

Wie die Forschenden mitteilen, unterscheidet sich die Herstellung winziger Batterien gravierend von ihren aus dem Alltag bekannten Pendants. So werden kompakte Batterien mit hoher Energiedichte wie Knopfzellen mittels Nasschemie hergestellt. Elektrodenmaterialien und Zusatzstoffe (Kohlenstoffmaterialien und Bindemittel) werden zu einer Aufschlämmung verarbeitet und auf eine Metallfolie aufgetragen. On-Chip-Mikrobatterien, die mit solchen gängigen Technologien hergestellt werden, können zwar eine gute Energie- und Leistungsdichte liefern, haben aber eine Grundfläche von deutlich mehr als einem Quadratmillimeter.

Swiss-Roll-Verfahren bringt die Lösung

Das Ziel des Forschungsteams war es, eine Batterie zu entwerfen, die direkt in einen Chip integriert werden kann, deutlich weniger als einen Quadratmillimeter Platz in Anspruch nimmt und eine Mindest-Energiedichte von 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter besitzt. Dazu haben die Wissenschaftler das Aufwickeln von Leiter- und Elektrodenbändern auf die Mikroskala übertragen. Hier kommt das sogenannte „Swiss-Roll“ beziehungsweise „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, heißt es. Diese mechanische Verspannung könne durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden, sodass sich die Schichten von selbst zu einer Swiss-Roll-Architektur aufrollen. Es müssten keine externen Kräfte aufgewendet werden, um die gewickelten Batterien zu erzeugen. Das Verfahren soll kompatibel mit etablierten Methoden der Chip-Industrie sein, so dass Batterien mit hohem Durchsatz auf einer Wafer-Oberfläche erzeugt werden können.

Die so hergestellten aufladbaren Mikrobatterien im Submillimeter-Maßstab können die weltweit kleinsten Computerchips für etwa zehn Stunden mit Energie versorgen – zum Beispiel um die lokale Umgebungstemperatur kontinuierlich zu messen. Ihr Potenzial für zukünftige mikro- und nanoelektronische Sensorik und Aktorik ist groß.

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