Akkutechnologie

Forscher in Chemnitz und Dresden entwickeln ultrakompakte Energiespeicher

05.08.2010 | Redakteur: Thomas Kuther

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt (rechts) und Dr. Carlos Cesar Bof Bufon arbeiten im Start-up-Gebäude auf dem Smart Systems Campus im Reinraum an winzigen Energiespeichern
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt (rechts) und Dr. Carlos Cesar Bof Bufon arbeiten im Start-up-Gebäude auf dem Smart Systems Campus im Reinraum an winzigen Energiespeichern

Viel Power auf kleinstem Raum, quasi die „Batterie im Staubkorn“ — das ist die Vision einer Forschergruppe an der TU Chemnitz und am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, die derzeit an der Entwicklung von ultrakompakten Energiespeichern arbeiten.

„Würde man eine handelsübliche Batterie aufschneiden, so könnte man sehen, dass diese aus aufgewickelten Schichten besteht“, erklärt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz. „Dadurch lassen sich bisher Batterien nur begrenzt verkleinern, denn das Aufwickeln der Lagen funktioniert lediglich auf makroskopischer Ebene.“ Seine Forschergruppe an der TU Chemnitz und am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden), wo Schmidt Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften ist, hat eine Lösung entwickelt, diese Begrenzung in der Miniaturisierung aufzuheben.

Schichten rollen sich selbst zu einem ultrakompakten Energiespeicher auf

Durch das abwechselnde Aufbringen von dünnen Lagen aus metallischen und dielektrischen Materialien auf einer flachen Unterlage entsteht ein Schichtsystem, das in sich hoch verspannt ist. Diese mechanische Verspannung kann durch das gezielte Ablösen der dünnen Lagen freigesetzt werden, so dass sich die Schichten von selbst zu einem ultrakompakten Energiespeicher aufrollen. „Dadurch lassen sich extrem kompakte Energieeinheiten fertigen, die eine enorme Energie pro Fläche auf einem Chip speichern können, mehr als zweimal so groß wie mit herkömmlichen Technologien“, schätzt Schmidt ein und ergänzt: „Und das Beste ist: Der Herstellungsprozess ist extrem einfach und funktioniert fast von selbst. Hier wird in schönster Weise die so genannte Selbstorganisation mit produktionsreifen Technologien verbunden.“

Der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe steigert die Leistungsfähigkeit

„Wir verwenden dafür hybride Materialien“, berichtet Dr. Carlos Cesar Bof Bufon von der Chemnitzer Forschergruppe — es können also unterschiedliche Werkstoffe verbunden werden, etwa Metalle und Isolatoren, aber auch organische Stoffe wie Polymere oder ultradünne Moleküllagen. „Dadurch steigt die Leistungsfähigkeit enorm“, erklärt Bof Bufon und ergänzt: „Die Energiespeicher können deshalb auch bei Anwendungen eingesetzt werden, wo schnell viel Leistung gefragt ist, etwa für winzige Elektromotoren.“

Sensoren und Batterien von der Größe eines Staubkorns

Verwendet werden könnten die Mini-Batterien auch für die lokale Energieversorgung von Silizium-Chips oder für den Antrieb von autonomen Systemen, wie kleinen Robotern. Eine Vision ist der Einsatz im so genannten smart dust — dem intelligenten Staub. Das sind winzige Sensorsysteme, die zum Beispiel zur Temperaturmessung in Wirbelstürmen eingesetzt werden können. Oder sie gehen mit Zugvögeln auf den Weg Richtung Süden und verfolgen den Temperaturverlauf auf der Reise. „Wenn die Sensorsysteme nicht größer sind als Staubkörner, darf natürlich auch die Energieversorgung nicht groß sein“, sagt Schmidt.

In fünf Jahren soll die Batterie im Staubkorn anwendungsreif sein

Die Chemnitzer Forschergruppe arbeitet in den Räumlichkeiten des Start-up-Gebäudes auf dem Smart Systems Campus in unmittelbarer Nähe zur TU. „In diese Umgebung passen wir sehr gut hinein, da auf dem Smart Systems Campus viele Firmen aus der Nanosystemtechnik sitzen, die sich natürlich auch mit der Frage der Energieversorgung beschäftigen und die unsere Entwicklung in die Anwendung überführen können“, so Schmidt. Bis zur Anwendungsreife seien es noch rund fünf Jahre, schätzt der Wissenschaftler. Ideen für die Weiterentwicklung bestehen auch bereits: So könnte ein Draht direkt als Spule mit in den Energiespeicher eingewickelt werden, sodass ein miniaturisierter Schwingkreis entsteht.

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