Neues 3D-Design für Onboard-Hochleistungsbatterien
Die Elektronikindustrie ist heute durch immer kleinere und leichtere Geräte gekennzeichnet. Während die Abwärtsskalierung von elektronischen Bauelementen ein eigenes Feld (Mikroelektronik) geschaffen hat, stellt der Mangel an gleichartig abwärtsskalierten Onboard-Stromversorgungen bei der Entwicklung neuer Produkte in zahlreichen Bereichen ein Hindernis dar. Angesichts der wachsenden Zahl von MEMS, die sich in der Entwicklung befinden, würde der Markt durch die Bereitstellung von geeigneten Mikrobatterien sicher stark wachsen. Die Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts SUPERLION (Superior energy and power density Li-ion microbatteries) entwickelten Lösungen für diesen Engpass. Nanomaterialien mit interessanten funktionalen Eigenschaften im Zusammenhang mit ihren sehr kleinen Größen boten neue Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Das Team von SUPERLION erforschte die Synthese und Herstellung von neuartigen nanostrukturierten Batteriematerialien und Mikrobatteriekomponenten. Darüber hinaus implementierten sie verwandte Techniken zur Verbesserung der Leistung von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen). Die 2D-Laminatstruktur der meisten herkömmlichen Batterien führt zu einem Kompromiss zwischen Energie und Leistungsdichte. Mikro- und Nanomaterial-Fertigungstechniken erlauben es, den Dünnfilm-Ansatz auf drei Dimensionen zu erweitern, wobei kurze Diffusionslängen und eine große Oberfläche gleichzeitig hohe Energie- und Leistungsdichten ermöglichen. Das Potenzial von 3D-Mikrobatterien für die Energiedichte pro benötigte Grundfläche bietet im Vergleich zu ähnlichen 2D-Dünnfilm-Batterien eine Steigerung von mehr als einer Größenordnung. Die Entwicklung einer 3D-Batteriearchitektur hängt von der Bildung eines dünnen, konformen Films ab, der elektronisch isoliert und leitfähig für Li-Ionen ist. Die Wissenschaftler verwendeten die Elektroabscheidungsmethode, die sich für die Bildung von Dünnfilm-Polymerelektrolyten auf mikrostrukturierten Oberflächen hervorragend eignet. Die Elektroabscheidung von Elastomeren auf Basis von Poly (Ethylenglykol) -Diacrylatpolymer ermöglichte die Bildung von Elektrolyten mit abstimmbarer Ionenleitfähigkeit. Für die Auswertung wurden drei Test-Zelltypen ausgewählt: eine Zelle auf Basis von Li-Eisen-Phosphat, eine flexible flache Zelle und zwei wiederaufladbare Li-Knopf- oder Li-Münzen-Zellen. Energiedichte und Größenmerkmale waren besonders vielversprechend. SUPERLION machte wichtige Fortschritte bei der Entwicklung von wiederaufladbaren 3D-Mikrobatterien, was direkte Auswirkungen auf zahlreiche mikroelektronische Geräte wie Mikrosensor-Arrays, Identifikationskarten, Herzschrittmacher/Defibrillatoren und Arzneimittel-Delivery-Systeme haben wird. Die Optimierung der Ergebnisse sollte die Kommerzialisierung fördern.
Schlüsselbegriffe
Leistungsdichte, Mikrobatterien, MEMS, Medizinprodukte, SUPERLION, Li-Ion
