Flussbatterie Flüssiger Treibstoff für künftige Computer

Redakteur: Sebastian Gerstl

Forscher von IBM Research und der ETH Zürich haben eine neuartige, energie- und wärmeeffiziente Stromversorgung für kompakte Computersysteme entworfen. Eine Flussbatterie soll künftig sehr dicht gepackte elektronische Komponenten mit Energie versorgen und gleichzeitig die von ihnen produzierte Wärme abführen.

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In künftigen Computern könnten dreidimensionale, gestapelte Chips zum Einsatz kommen. Flussbatterien könnten sie mit Energie versorgen und gleichzeitig kühlen.
In künftigen Computern könnten dreidimensionale, gestapelte Chips zum Einsatz kommen. Flussbatterien könnten sie mit Energie versorgen und gleichzeitig kühlen.
(Bild: IBM Research Zürich)

Forschende der ETH Zürich und von IBM Research in Rüschlikon haben eine winzige Flussbatterie geschaffen. Damit könnten künftig Computerchip-Stapel, bei denen einzelne Chips platzsparend übereinandergelegt werden, mit Energie versorgt und gleichzeitig gekühlt werden. Bei einer Flussbatterie wird mit einer elektrochemischen Reaktion Strom aus zwei flüssigen Elektrolyten gewonnen. Diese werden von außen über einen Leitungskreislauf in die Batterie-Zelle gepumpt.

„Die Chips werden quasi mit einem flüssigen Treibstoff betrieben und produzieren daraus ihren eigenen Strom“, sagt Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik an der ETH Zürich. Weil die Wissenschaftler zwei Flüssigkeiten verwenden, von denen bekannt ist, dass sie sich sowohl als Flussbatterie-Elektrolyte als auch als Kühlmittel eignen, kann über denselben Kreislauf auch überschüssige Wärme vom Chip-Stapel abgeführt werden.

Die von den Wissenschaftlern konstruierte Batterie ist nur etwa 1,5 Millimeter dünn. Die Idee wäre, Chip-Stapel schichtweise zu bauen: ein Computerchip, darüber die dünne Batterie-Mikrozelle, die den Chip mit Strom versorgt und kühlt, dann der nächste Computerchip und so weiter.

Rekordhohe Leistung

Bisherige Flussbatterien (siehe Kasten) sind riesig und vor allem als Großspeicher im Einsatz, etwa im Verbund mit Wind- und Solarkraftwerken, um dort vorübergehend die produzierte Energie zu speichern, damit sie zeitversetzt genutzt werden kann. „Wir sind die ersten Wissenschaftler, die eine so kleine Flussbatterie bauen, um damit Stromversorgung und Kühlung zu kombinieren“, sagt Julian Marschewski, Doktorand in Poulikakos‘ Gruppe.

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Flussbatterien

Batterien speichern Energie in chemischer Form und wandeln diese in elektrochemischen Reaktionen in Elektrizität um. In herkömmlichen Batterien (Ionenbatterien) ist die Energie in zwei festen Elektroden gespeichert, in Flussbatterien jedoch in zwei flüssigen Elektrolyten, die in zwei getrennten Kreisläufen in die Flussbatterie gepumpt werden können. "Flussbatterien sind im Prinzip wiederaufladbare Brennstoffzellen", erklärt ETH-Doktorand Julian Marschewski. Während Brennstoffzellen nur chemische Energie in elektrische umwandeln können, ist bei einer Flussbatterie die Umwandlung in beide Richtungen möglich.

Für herkömmliche Batterien gilt: Je mehr Energie sie speichern, desto voluminöser und schwerer sind sie. In Flussbatterien können die Elektrolyt-Flüssigkeiten (quasi der Treibstoff) über Leitungen von außen zu- und wieder abgeführt werden. Ein Vorteil davon: Die Zellen der Flussbatterien können kleiner und leichter gebaut werden. Ein Nachteil: Flussbatterien sind auf ein Versorgungssystem mit Leitungen und Pumpen angewiesen.

Außerdem ist die Leistung der neuen Mikrobatterie bezogen auf ihre Größe rekordverdächtig hoch: Pro Quadratzentimeter Batteriefläche beträgt sie 1,4 Watt. Zieht man davon die Leistung ab, welche benötigt wird, um die flüssigen Elektrolyte zur Batterie zu pumpen, resultiert als Nettoleistungsdichte immer noch 1 Watt pro Quadratzentimeter.

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