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Unter 100 µm schmale Dünnschichtbatterie bricht Energiedichterekorde

| Autor: Sebastian Gerstl

Forscher des CEA-Leti haben eine solide, anorganische Dünnschichtbatterie entwickelt, die einen neuen Maßstab in Sachen Flächen-Energiedichte aufstellt. Die LiCoO2-Batterie eröffnet so neue Möglichkeiten für Wearables, aber auch implantierbare Medizingeräte.

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Aufnahmen vom Rasterelektronenmikroskop (REM): Die Querschnittscharakterisierungen der 95µm dicken Dünnfilmbatteriestruktur (links) und ihrer aktiven Schichten (rechts).
Aufnahmen vom Rasterelektronenmikroskop (REM): Die Querschnittscharakterisierungen der 95µm dicken Dünnfilmbatteriestruktur (links) und ihrer aktiven Schichten (rechts).
(Bild: CEA-Leti )

Wenn es um Stromversorgungen für Wearables geht gelten Dünnschichtbatterien unter den elektrochemischen Energiespeichern als besonders vielversprechende Lösungen: Sie verfügen – jedenfalls in der Theorie – über eine hohe Energiedichte und sind flexibel genug, um sie auch für platzsparende, verformbare Anwendungen zu nutzen.

Zwei Schwierigkeiten haben diesem Batterietypus den großen Durchbruch allerdings bislang verwehrt. Zum Einen lässt sich die Dicke der Elektroden nur schwer skalieren, zum anderen gilt die Geometrie auf Mikrometer-Niveau als äußerst schwierig zu kontrollieren.

Beide Faktoren tragen dazu bei, dass in der Regel die theoretische Energiedichte vielversprechend ist, dies aber nicht gilt, wenn die gesamte Batteriefläche in Betracht gezogen wird. Dieses Problem der flächigen Energiedichte erschwert auch die praktische Integration von Dünnschichtbatterien in miniaturisierte Geräte.

Rekorddichte von 890 μAh.cm-2

Auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) in San Francisco haben nun Entwickler des französischen Forschungsinstituts CEA-Leti eine solide, anorganische Dünnschichtbatterie vorgestellt, der eine deutlich höhere Leistung als bisherige Batterien dieses Typs verspricht. In einem Paper mit dem Titel Millimeter Scale Thin-Film Batteries for Integrated High-Energy-Density Storage beschreiben die Forscher den neuartigen Energiespeicher, der es auf eine Flächen-Energiedichte von 890 μAh.cm-2 bringen soll.

Dies dürfte eine neue Rekordmarke für Dünnschichtbatterien aufstellen. Die Architektur bietet nach Angaben der Entwickler auch eine höhere generelle Energiedichte, mit einer Kapazität von bis zu 450 μAh.cm-2 bei einer Stromdichte unterhalb von 3mA.cm-2.

Die von den Wissenschaftlern entwickelte Dünnschichtbatterie ist 95μm etwas schmal und verfügt über eine 20μm dicke LiCoO2 Kathode in einer Lithium-freien Anoden-Konfiguration. Auf diese Weise könne man die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten bei der Flächenenergiedichte beherrschbar machen, meinen die Forscher. Die vielversprechende Energiedichte der kompakten Batterie ermögliche neue Möglichkeiten für Wearables, aber auch hinsichtlich implantierbarer oder injizierbarer Geräte.

Im Vergleich: Die am CEA-Leti entwickelte Dünnschichtbatterie (schwarze Linie) verfügt nach Angaben ihrer Entwickler über eine bessere Energie- und Leistungsdichte als alle anderen bislang vorgestellten Vertreter dieses Batterietyps.
Im Vergleich: Die am CEA-Leti entwickelte Dünnschichtbatterie (schwarze Linie) verfügt nach Angaben ihrer Entwickler über eine bessere Energie- und Leistungsdichte als alle anderen bislang vorgestellten Vertreter dieses Batterietyps.
(Bild: CEA-Leti )

„Implantierbare Sensoren oder biologisch-funktionelle Überwachungssysteme wie intraokulare Drucksensoren und Blutzuckermessung wären für unsere Dünnschichtbatterien besonders geeignet“, meint Sami Oukassi, Hauptautor der begleitenden Studie. Auch externe Systeme, wie zum Beispiel Cochlea-Implantate und intelligente Kontaktlinsen, würden ihm zufolge von den Vorteilen dieses Durchbruchs profitieren.

Auch für industrielle Großserienproduktion geeignet

Der Herstellungsprozess sich zudem gut für eine industrielle Großserienproduktion eignen, was ebenfalls dazu beitragen könnte, Dünnschichtbatterien endlich zum Durchbruch zu verhelfen. „Batteriehersteller haben Schwierigkeiten, eine Energiequelle zu produzieren, die nicht nur im Mikromaßstab funktioniert, sondern auch eine hohe Leistungsdichte und Energie besitzt“, sagte Oukassi. „CEA-Leti TFBs bieten diese Möglichkeit mit der bisher höchsten Leistung im Vergleich zu aktuellen TFBs und Mikro-Super-Kondensator-Lösungen.“

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Über den Autor

 Sebastian Gerstl

Sebastian Gerstl

Redakteur, ELEKTRONIKPRAXIS