3D-Dünnschicht-Akkus für langen Betrieb und schnelles Laden

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Von den planaren zu 3D-Dünnschicht-Batterien

Ein ähnliches Verfahren zur Skalierung der Schichten lässt sich auf die Elektroden anwenden. Dünnere Elektroden erhöhen ihre Lade- und Entladeraten signifikant und damit die Leistung der Batterie. Die Verdünnung der Schichten verringert allerdings auch die Batteriekapazität, denn diese ist unmittelbar durch die Menge des insgesamt verfügbaren Elektrodenmaterials gegeben. In planaren Batterien können die Elektrodenschichten nicht auf weniger als ein Mikrometer reduziert werden. Dies resultiert in einer maximalen Kapazität von 0,07 mAh/cm², etwa im Falle einer LCO-Elektrode mit 1 µm Dicke.

Glücklicherweise gibt es einen Weg zur Kompensation des Verlusts an Elektrodenmaterial und zur Steigerung der Batteriekapazität: Die effektive Fläche lässt sich durch eine spezielle Beschichtung des Dünnfilm-Stacks mit einem mikro- oder nanostrukturierten 3D-Muster vergrößern (Bild 1).

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Eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung dieser 3D-Dünnschicht-Batterien ist die Mikro- oder Nanostrukturierung des Substrats, beispielsweise durch die Schaffung von Arrays mit geätzten Silizium-Pillars. Zur Maximierung der Batterieleistung und der Kapazität muss dabei ein optimales Verhältnis der Dichte dieser Muster und der Schichtdicke gefunden werden. Anschließend müssen die Dünnfilme in geeigneter Weise auf die großen Oberflächen pinhole-frei und gleichmäßig aufgebracht werden.

Somit sind Depositionstechniken erforderlich, die ein Conformal Coating der Elektroden- und Elektrolytmaterialien auf 3D-strukturierten Substraten mit hohem Aspect Ratio ermöglichen. Eine der in diesem Zusammenhang bei Imec untersuchten Optionen ist ein konformer Stack von Mangan- und Titan-basierten Elektroden mit dünnem, viskoelastischem Elektrolyt als Zwischenlage. Für gute Konformalität verwendet Imec Depositionstechniken wie die elektrochemische Deposition (ECD), Chemical Vapor Deposition (CVD) und Atomlagenabscheidung (ALD).

In einem ersten Schritt werden diese Dünnschicht-Batterien auf einer Si-Plattform gefertigt, um das bei Imec reichlich vorhandene Prozesswissen für integrierte Schaltungen zu nutzen. Derartige Mikrobatterien sind in der Lage, Mikrosysteme wie drahtlose Sensoren zu versorgen.

In einem zweiten Schritt sollen dann die Prozesse und Materialien auf die Folientechnologie heraufskaliert werden, sodass damit Batterien für portable elektronische Geräte und irgendwann auch zur lokalen Energiespeicherung oder zum Laden von Elektrofahrzeugen hergestellt werden können. Für diesen nächsten Schritt ist das vorhandene Knowhow des System-in-Foil-Programms und der zugehörigen Prozessintegration am Holst Centre und der Imec-TNO-Kollaboration in Eindhoven eine wichtige Grundlage (Bild 2).

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