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TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden
Die Zeiten, in denen Computer mit einfacher Rechenleistung ganze Räume einnahmen, sind lange vorbei. Die technischen Möglichkeiten haben Computer so weit geschrumpft, dass sie für viele Anwendungen sogar im Miniaturformat funktionieren. Das ist keine Spielerei, sondern ein Bereich mit permanent wachsendem Bedarf. Denn solche Systeme werden zum Beispiel für biokompatible Sensoren im Körper benötigt. Sie brauchen aber auch winzige Energiespeicher. Ein internationales Forschungsteam hat jetzt die nach eigenen Angaben kleinste Batterie der Welt vorgestellt. Der Prototyp ist nur mit der Lupe erkennbar. Federführend bei der Entwicklung war die TU Chemnitz. Unterstützt wurde sie von Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) sowie vom Changchun Instituts für Angewandte Chemie in China.
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Akkus müssen winzig und leistungsfähig sein
Smart Dust werden die winzigen Computersysteme genannt, weil sie kleiner sind als ein Staubkorn (Dust = Staub). Dass die Entwicklung solcher Systeme mit großen Herausforderungen verbunden ist, versteht sich von selbst. Als besonders problematisch gilt dabei der Energiespeicher, also die Batterie. Sie muss in ihren Abmessungen zur Elektronik passen, soll aber trotzdem ausreichend Energie bereitstellen. Gleichzeitig ist es unter Aspekten der Nachhaltigkeit wichtig, dass sie ressourcenschonend hergestellt werden kann.
Das Team unter der Leitung von Oliver Schmidt, Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik sowie Wissenschaftlicher Direktor des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) in Chemnitz, hat nun eine Lösung präsentiert. Der Prototyp ist voll funktionsfähig und beansprucht für sich den Titel „kleinste Batterie der Welt“.
Kleinste Batterie ist Alternative zu Harvesting-Verfahren
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, um einen Mikrocomputer mit Energie zu versorgen. Einerseits können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entsprechend winzige Batterien verwenden. Andererseits besteht die Möglichkeit, sogenannte „Harvesting“-Verfahren einzusetzen (Harvest = Ernte oder Ertrag). Beim Harvesting wandeln beispielsweise mikrothermoelektrische Generatoren Wärme in Elektrizität um. Die Methode ist für viele einfachen Anwendungen eine gute Lösung, weil keine großen Speicherkapazitäten benötigt werden, aber sie ist auch mit Problemen behaftet. Denn ihre Leistung ist für viele Einsatzbereiche zu gering – Computer, die kleiner sind als ein Staubkorn, können sie in der Regel nicht antreiben. Mechanische Vibrationen und winzige Solarzellen sind weitere mögliche Energiequellen, doch sie hängen naturgemäß vom Licht beziehungsweise vom Vorhandensein der Vibrationen ab. Kleinste Batterien sind also als Alternative in vielen Situationen unverzichtbar.
Allerdings waren sie bisher immer noch zu groß und lieferten trotzdem nicht genug Leistung. Denn für die On-Chip-Herstellung von Batterien werden zum Beispiel gestapelte Dünnschichten, Elektrodensäulen oder ineinandergreifende Mikroelektroden eingesetzt. Dabei ist es nicht möglich, die Grundfläche ausreichend zu reduzieren. Die Forschenden suchten also nach einem neuen Ansatz, um eine Batterie zu entwerfen, die deutlich unter einem Quadratmillimeter an Platz beansprucht. Als Leistung setzten sie ein Ziel von mindestens 100 Mikrowattstunden pro Quadratzentimeter fest.
Bekanntes Verfahren für kleinste Batterie der Welt nach unten skaliert
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben dafür auf ein bekanntes Verfahren zurückgegriffen, nämlich das Aufwickeln von Leiter- und Elektrodenbändern. Damit werden beispielsweise Akkus für Elektroautos hergestellt. Diese Methode, auch Swiss-Roll genannt, übertrugen sie auf den Mikrobereich. Bei diesem „Mikro-Origami-Verfahren“, wie die Forschenden es nennen, werden dünne Lagen aus polymerischen, metallischen und dielektrischen Materialien abwechselnd auf einer Wafer-Oberfläche aufgebracht, wodurch ein unter Spannung stehendes Schichtsystem entsteht.
Werden die dünnen Lagen gezielt abgelöst, rollen sich die Schichten automatisch zu einer Swiss-Roll-Architektur auf. Wichtig für den kommerziellen Einsatz ist zudem die Tatsache, dass die Produktion mit etablierten Methoden der Chip-Industrie möglich wäre.
Höhere Leistungen der kleinsten Batterie sind möglich
Es klingt so einfach und ist gleichzeitig ein enormer Durchbruch. Denn auf diese Weise haben die Forschenden aufladbare Mikrobatterien hergestellt, die deutlich kleiner als ein Millimeter sind, als kleiner als ein Salzkorn. Diese kleinsten Batterien können winzige Computerchips für etwa zehn Stunden mit Energie versorgen. Das Team zweifelt nicht daran, dass diese Energiespeicher-Innovation eine große Zukunft haben wird, etwa in der mikro- und nanoelektronischen Sensorik, bei Anwendungen im Internet der Dinge, für miniaturisierte medizinische Implantate, in der Mikrorobotik und in der ultra-flexiblen Elektronik.
„Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotenzial für diese Technologie, somit ist in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen“, sagt Schmidt.
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