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

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Eine realistische Roadmap zur Technologie-Skalierung

Viele Überlegungen für innovative Batterietechnologien ließen sich aus der IC-Industrie ableiten, in der das Downscaling der Transistorstrukturen außerordentlich umfangreiche Forschungsaktivitäten in neuen Materialien und in der Nanotechnologie ausgelöst hat. Der Treiber des kontinuierlichen Fortschritts der Skalierung ist eine allgemein gültige Roadmap für diese Technologien zur Festlegung der Spezifikationen und Materialoptionen für jede neue Transistorgeneration.

Diese langfristige Evolution hat zur Entwicklung von zahlreichen neuen Prozessen und Techniken geführt, z.B. zu fortschrittlichen Depositionsverfahren wie CVD und ALD. Ähnlich wie die Skalierung der Transistortechnologie (etwa der Gate-Länge und des Gate-Oxids) ist es möglich, dass eine Roadmap zur Skalierung von 3D-Dünnschicht-Batterien deren Performance Schritt für Schritt verbessern kann (Bild 3).

Die Batterieleistung (oder die Lade- und Entladeraten) der Dünnschicht-Batterie lässt sich kontinuierlich verbessern, indem man die Schichtdicken von Elektroden und Elektrolyt reduziert (entlang der X-Achse in Bild 3). Jede neue Generation (oder Node) würde dann dünnere, pinhole-freie und chemisch uniforme Schichten mit immer größerem Aspect Ratio erfordern. Gleichzeitig müsste die Dichte der 3D-Strukturen stets weiter erhöht werden, um das Volumen der aktiven Elektroden (und damit die Batteriekapazität zu vergrößern).

Alternativ ließe sich die Oberfläche vergrößern, ohne die Dichte zu ändern, etwa durch die Nutzung von nanostrukturierten Pillars mit vergrößertem Aspect Ratio (entsprechend der Y-Achse in Bild 3). Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung neuer Materialien mit höherer Energiedichte für Batterien mit zusätzlicher Kapazität.

Wie beim CMOS-Scaling sind die technologischen Anforderungen an die Skalierung von 3D-Dünnschict-Batterien eine große Herausforderung. Dazu braucht es immer anspruchsvolleres Patterning sowie Ätz- und Depositionstechniken, die pinhole-freie und hoch qualitative Beschichtungen erzielen und Konformalität mit extremem Aspect Ratio erlauben.

Trotz allem sind wir bei Imec davon überzeugt, dass eine entsprechende Roadmap zu sehr schnell ladenden Batterien führt. Solche Typen könnten zusätzliche Batteriekapazitäten in Multimedia- und Computer-gestützten Geräten überflüssig machen, da sie sich in einer drahtlosen Umgebung ständig nachladen ließen.

Derartige neuartige Betriebsarten von Batterien entsprechen in gewisser Beziehung den Erfordernissen autonomer Mikrosysteme, die eine Batterie mit einem Energie-Harvester integrieren, um die Batterie mit der jeweils verfügbaren Energie ständig nachzuladen. Halbleiter-basierte Batterien ermöglichen somit Mikrosysteme mit vollständig autarkem Betrieb, wie sie beispielsweise in medizinischen Implantaten oder in automatischen Sensorsystemen gebraucht werden.

* * Dr. Mieke Van Bavel arbeitet in der Forschungseinrichtung Imec in Leuven, Belgien.

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