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Die kleinste Batterie der Welt: Kleiner als ein Salzkorn

Dank einer besonderen «Falttechnik» ist es Wissenschaftlern der Technischen Universität Chemnitz gelungen, die bisher kleinste Batterie herzustellen. Diese winzige Batterie könnte künftig in medizinischen Implantaten zum Einsatz kommen. Das Potenzial ist im Gegensatz zur Batterie riesig.

Computer werden immer kleiner, man denke nur an das Smartphone oder Smartwatches – und der Trend zur Miniaturisierung setzt sich fort. Im Extremfall verlangen winzige smarte mikroelektronische Geräte – sogenannte «Smart-Dust-Anwendungen» – wie beispielsweise biokompatible Sensoriken im Körper nach noch viel kleineren Computern und Batterien im Submillimeter-Bereich. Das sind Systeme, die kleiner sind als ein Staubkorn. Diese Entwicklung wurde bisher vor allem von zwei Faktoren gebremst – vom Grössenunterschied zwischen 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. Im renommierten und vielzitierten Fachjournals «Advanced Energy Materials» stellen 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, Dr. Minshen Zhu, der am Forschungszentrum Main arbeitet, gemeinsam mit Forschenden des LeibnizInstitut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden sowie des Changchun-Instituts für Angewandte Chemie eine Lösung für diese Herausforderungen vor. Sie zeigen, wie batteriebetriebene Smart-Dust-Anwendungen im Submillimeter-Bereich realisierbar sind und präsentieren die mit Abstand kleinste Batterie der Welt als funktionsfähigen und anwendungsnahen Prototypen. «Unsere Ergebnisse zeigen eine ermutigende Energiespeicherleistung im SubQuadratmillimeter-Massstab», sagt Zhu und Schmidt fügt hinzu: «Es gibt noch ein riesiges Optimierungspotenzial für diese Technologie, so dass in Zukunft noch mit deutlich stärkeren Mikro-Akkus zu rechnen ist.»

Die kleinste Batterie der Welt kann in grossen Stückzahlen auf einer WaferOberfläche hergestellt werden. (Grafik: TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden)

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier in der Erforschung und Entwicklung extrem kleiner, formbarer und flexibel einsetzbarer Mikrorobotik. Im Bild hält er eine ultraflexible, mikroelektronische Folie. (Bild: TU Chemnitz)

Jenseits der Grenzen der Miniaturisierung Die Energie für den Betrieb winziger Computer im Submillimeterbereich kann entweder durch die Entwicklung entsprechender Batterien oder durch «Harvesting»-Verfahren zur Energiegewinnung und Umwandlung bereitgestellt werden. Im Bereich des «Harvestings» wandeln beispielsweise mikrothermoelektrische Generatoren Wärme in Elektrizität um, aber ihre Ausgangsleistung ist zu gering, um staubgrosse Chips anzutreiben. Mechanische Vibrationen sind eine weitere Energiequelle für die Energieversorgung von Geräten im winzigen Massstab. Am vielversprechendsten sind kleine Photovoltaik- und Solarzellen, die Licht in elektrische Energie auf kleinen Computerchips umwandeln. Licht und Vibrationen stehen aber nicht zu jeder Zeit an jedem Ort zur Verfügung, so dass ein bedarfsgesteuerter Betrieb in vielen Umgebungen unmöglich ist, so zum Beispiel auch im menschlichen Körper, wo winzige Sensoren und Aktuatoren eine kontinuierliche Stromversorgung benötigen. Leistungsstarke Mini-Batterien würden dieses Problem lösen. Die Herstellung winziger Batterien unterscheidet sich allerdings 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 Tech-

nologien hergestellt werden, können zwar eine gute Energie- und Leistungsdichte liefern, haben aber eine Grundfläche von deutlich mehr als einem Quadratmillimeter.

Das SwissRollVerfahren – oder die «Rouladentechnik» Für die On-Chip-Herstellung von Batterien kommen gestapelte Dünnschichten, Elektrodensäulen oder ineinandergreifende Mikroelektroden zum Einsatz. Diese Konstruktionen leiden jedoch häufig unter einer geringeren Materialqualität und die Grundfläche der Batterien kann nicht deutlich unter einen Quadratmillimeter reduziert werden, so dass nicht für ausreichend gespeicherte Energie gesorgt werden kann. Kurz gesagt: Die Batterien haben nicht genug Leistung und benötigen zu viel Platz. Das Ziel des Forschungsteams war es daher, 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Aufwickeln von Leiter- und Elektrodenbändern – das Verfah-

Dr. Minshen Zhu warb für sein exzellentes Forschungsvorhaben im Bereich «Smart Dust» den ersten ERC Grant für die TU Chemnitz ein. (Bild: Jacob Müller)

ren nutzt zum Beispiel auch Tesla bei der Herstellung der Akkus für seine E-Autos – auf die Mikroskala übertragen. Hier kommt das sogenannte «Swiss-Roll» (Englisch für Roulade) 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. Diese mechanische Verspannung kann durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden, so dass sich die Schichten von selbst zu einer Art Rouladen-Architektur aufrollen. Es müssen also keine externen Kräfte aufgewendet werden, um die gewickelten Batterien zu erzeugen. Das Verfahren ist kompatibel mit etablierten Methoden der Chip-Industrie und daher in der Lage, Batterien mit hohem Durchsatz auf einer Wafer-Oberfläche zu erzeugen. Mit dieser Methode haben die Forschenden um Schmidt und Zhu aufladbare Mikrobatterien im tiefen SubmillimeterMasssstab hergestellt, die die weltweit kleinsten Computerchips für etwa zehn Stunden mit Energie versorgen können – zum Beispiel, um die lokale Umgebungstemperatur kontinuierlich zu messen. Diese winzige Batterie hat ein grosses Potenzial für zukünftige mikro- und nanoelektronische Sensorik und Aktorik in Bereichen des Internets der Dinge, der miniaturisierten medizinischen Implantate, der Mikrorobotik und der ultra-flexiblen Elektronik.

Weitere Informationen Technische Universität Chemnitz Straße der Nationen 62 D-09111 Chemnitz oliver.schmidt@tu-chemnitz.de www.tu-chemnitz.de

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