19.08.2016, 12:23 Uhr | 0 |

Selbst mit Strom versorgen Chips tragen ihre Batterien huckepack

Grazer Forscher haben winzige Stromspeicher entwickelt, die das Silizium, aus denen Prozessoren herausgeätzt werden, als Elektroden nutzen. Das schien unmöglich, weil das Material schnell Risse bekommt. Durch eine spezielle Vorbehandlung schafften es die Österreicher dennoch.

CD-Labor für Lithium-Batterien der TU Graz
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Am CD-Labor für Lithium-Batterien der TU Graz gelang es dem Team rund um Martin Wilkening, einkristallines Halbleitersilizium als aktive Speicherelektrode in Lithium-Batterien einzusetzen.

Foto: Lunghammer/TU Graz

Mikroprozessoren der Zukunft rechnen und steuern nicht nur. Sie versorgen sich selbst mit Strom aus einer Lithium-Ionen-Batterie, die sie huckepack tragen. Die dünne Scheibe aus einkristallinem Silizium, aus der die Chips herausgeätzt werden, dient gleichzeitig als eine vorn zwei Elektroden, zwischen denen die elektrische Energie gespeichert wird. Das Kunststück gelang im Christian Doppler-Labor (CD-Labor) für Lithium-Batterien an der Technischen Universität Graz, das erst 2012 gegründet worden war.

Amerikaner versuchen es mit Graphen

Silizium gilt als mögliche Elektrode für Batterien, hält aber nur wenige Lade- und Entladezyklen durch. Es bekommt Risse und wird unbrauchbar. Wissenschaftler der amerikanischen Institutionen Lawrence Berkeley National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory und National Renewable Energy Laboratory haben versucht, das durch eine Beschichtung aus Graphen zu verhindern. Das ist ein nur wenige Atomlagen dicker Film aus Kohlenstoff.

Hohe Kapazität und Lebensdauer

Die Grazer Forscher gingen einen anderen Weg. „Wir nutzen direkt das dotierte Halbleitersilizium des Chips“, sagt Michael Sternad, einer der Entwickler. Das allerdings zuvor speziell behandelt wird. Die Grazer verraten nur so viel: Es werde mikrostrukturiert und dann elektrochemisch in besonderer Weise aktiviert. Das funktioniert.

Die Batterien verlieren auch nach 100 Ladezyklen nur wenige Prozent ihrer Kapazität, die mit 1000 Milliamperestunden pro Gramm höher ist als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien.

Stückpreise von wenigen Cent

Martin Wilkening, Leiter des Instituts für Chemische Technologie von Materialien sowie des CD-Labors, ist natürlich begeistert von diesem Speicher: „Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Lithium-Ionen-Batteriesystemen konkurrieren können.“ Zudem könnten auf einem Silizium-Wafer, also der dünnen Scheibe, aus der Chips herausgeätzt werden, mehrere tausend Zellen gleichzeitig hergestellt werden, so dass Stückpreise von wenigen Cent erreichbar seien.

Die Huckepack-Batterie könnte, wenn sie sich durchsetzt, den Trend zu immer kleinerer Elektronik verstärken. Die blockförmige Batterie etwa im Smartphone könnte sie jedoch nicht ersetzen. In Geräten, die weniger Strom benötigen, jedoch schon. Etwa in Systemen in Autos, die von der Fahrzeugbatterie versorgt werden und nur ein bisschen Energie benötigen, um die Parkzeiten zu überstehen.

Der japanische Elektronikkonzern Sony hingegen plant bis spätestens 2020 die Markteinführung eines wieder aufladbaren Energiespeichers, der die Laufzeit energiehungriger Smartphones, Laptops und kleinerer Elektrogeräte um bis zu 40 % steigern soll. 

Und in 2017 startet in Deutschland bei Dresden die Produktion von Ultrakondensatoren. Die Energiespeicher sind so effizient, dass die ESA sie ab 2018 in ihren Satelliten einsetzt. Für Elektroautos wären die Akkus auch eine feine Sache.

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Von Wolfgang Kempkens
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